CN108912404A - 一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，包括如下步骤：S1、填料改性：将质量比为0.5‑15:100的偶联剂和填料利用干法改性工艺进行表面改性处理，得到改性填料；S2、中间体制备：将质量比为1‑20:100的改性填料与纤维素充分混合后，得中间体；S3、产品制备：将中间体制备成复合膜。本发明得到的复合膜具有优异的抗水抗油特性，且合成过程不使用有毒有害的化学溶剂，工艺简单，可操作性强。

Description

一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法。
背景技术：
纤维素广泛存在于各种植物资源中，植物纤维基材料的开发，可以有效缓解目前广泛使用的石油基衍生物的资源不可再生和环境污染问题。从植物纤维资源中分离出的纳米纤维素是一种高性能、可再生的绿色原料，具有无毒、生物相容、密度低、机械强度优异等性能，以其为基本单元可以构建出多种性能优异的结构材料和功能复合材料。由纳米纤维素相互交织形成的透明膜，具有优异的机械强度、低的氧气渗透率、低的热膨胀系数和优异的热稳定性，可应用于绿色包装材料或作为柔性电子元器件的透明基底。然而，纳米纤维素表面裸露大量亲水性基团，易于形成水化层，表现出强的亲水性。在潮湿的环境下，水分子易于吸附在其表面上，破坏纳米纤维素间的氢键结合，使得纳米纤维素膜的机械性能与隔绝性能出现极大的下降。纳米纤维素的抗水性差，加之，纳米纤维素膜对油的阻隔性能也较差，严重制约了其薄膜作为高阻隔包装材料的应用。
因此，为了满足新型包装材料的要求，需要一种抗水抗油的纳米纤维素膜。Gousse(2002)通过对纳米纤维素进行硅烷化改性，来提高纳米纤维素的疏水性，Rodionova(2011)在甲苯溶剂体系下，利用乙酸酐对纳米纤维素表面进行酯化改性。Shimizu(2014)将不同种类的烷基季铵盐吸附于纳米纤维素表面羧基基团上，利用浇铸的方式制备出疏水、柔韧、透明薄膜。Hambardzumyan(2015)使用Fenton试剂(H2O2和FeSO4)通过共价键作用，将木质素接枝到纳米纤维素晶体表面从而提高其疏水性。Wang(2015)通过利用纳米纤维素膜吸附Cu2+和Fe3+，使其在高湿度环境下，维持了优异的机械性能。
虽然这些方法在一定程度上提高了纳米纤维素膜的疏水性，但是这些方法有的需要用到大量有机溶剂，或者用到金属离子，工艺过程不够环保；有的会对纳米纤维素性能造成损伤，有的工序过于复杂。而且，在提高纳米纤维素膜的抗油抗水性能方面，并没有相关文献和专利进行有益探索。
[1]Gousse C,Chanzy H,Excoffier G,et al.Stable suspensions ofpartially silylated cellulose whiskers dispersed in organic solvents[J].Polymer,2002,43(9):2645-2651.
[2]Rodionova G,Lenes M,Eriksen O,et al.Surface chemical modificationof microfibrillated cellulose:Improvement of barrier properties for packagingapplications[J].Cellulose,2010,18(1):127-134.
[3]Shimizu M,Saito T,Fukuzumi H,et al.Hydrophobic,ductile,andtransparent nanocellulose films with quaternary alkylammonium carboxylates onnanofibril surfaces[J].Biomacromolecules,2014,15(11):4320-4325.
[4]Wang B,Torresrendon J G,Yu J,et al.Aligned bioinspired cellulosenanocrystal-based nanocomposites with synergetic mechanical properties andimproved hygromechanical performance[J].Acs Appl Mater Interfaces,2015,7(8):4595-4607.
发明内容：
本发明提供了一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，简化了合成步骤，提高了复合膜的整体性能，解决了现有技术中存在的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，包括如下步骤：
S1、填料改性：将质量比为0.5-15:100的偶联剂和填料利用干法改性工艺进行表面改性处理，得到改性填料；
S2、中间体制备：将质量比为1-20:100的改性填料与纤维素充分混合后，得中间体；
S3、产品制备：将中间体制备成复合膜。
经过偶联剂改性后的得到的填料结构疏松、分布较均匀，且改善了填料与纳米纤维素之间的相容性，在S1中将填料通过偶联剂进行表面改性后，得到的改性填料具有很好的抗水抗油性，在S2中将改性后的填料与纤维素进行混合，在混合过程中，偶联剂此时会在填料和纤维素之间形成牢固的分子桥，所以纳米填料会与纳米纤维素紧密的结合，得到中间体，从而使得中间体也具有很好的抗水抗油性，再将中间体制备成复合膜，这样制备出来的复合膜也同样具有很好的抗水抗油性。
优选的，在S1中，所述填料的粒径为50nm-1.5μm。
优选的，在S1中，所述填料为碳酸钙、滑石粉、粘土、无定型硅酸盐、二氧化钛中的一种或两种以上的混合，两种以上混合时为任意配比。
优选的，所述偶联剂为硼酸酯偶联剂。硼酸酯偶联剂分子中含有一个易水解的异丙基，水解后生成醇，在加热的条件下与填料表面的羟基发生缩合，从而将偶联剂分子中的长碳链结构在填料表面铺展或发生相互缠绕，形成交联网络结构，由于偶联剂的引入，填料表面显极性的羟基与偶联剂缩合，因此使得填料表面极性减小，改性后的填料表面疏水性增强，疏油性也增强。
优选的，所述干法改性工艺包括如下步骤：将填料与偶联剂置于容器中，在持续搅拌的情况下，加热至50-95℃，保持5-50min，然后停止加热，继续搅拌至温度降至室温。
优选的，在S2中，所述纤维素为纤维素悬浊液。
优选的，在S2中，所述纤维素悬浊液为纳米纤维素悬浊液，所述纳米纤维素悬浊液中溶剂为水，纳米纤维素浓度为0.5-2％。在水溶液中将纳米纤维素与改性后的填料进行混合搅拌，使纳米纤维素和填料更均匀的混合，且以水为溶剂使得偶联剂水解更充分，与填料以及纳米纤维素间结合得更牢固些。
优选的，在S3中，首先将S2得到的中间体中含有的溶剂去除，然后进行热压处理得到复合膜。将溶剂去除是为了缩短后续热压的时间以及防止多余的溶剂在热压温度下发生不好的影响，影响纳米纤维素与改性填料的结合。
优选的，所述热压处理包括如下步骤：将中间体放入到模具中，然后在30-40℃进行干燥，干燥后进行热压处理，此时干燥温度不宜过高，温度过高可能会使中间体产生气泡或裂缝等不好的影响，使得得到的复合膜不均匀致密。
优选的，所述热压温度为90-100℃，热压时间20-40s，在适合的热压温度以及时间，得到均匀致密的纳米纤维素复合膜。
本发明采用上述工艺，具有如下优点：得到的复合膜具有优异的抗水抗油特性，且合成过程不使用有毒有害的化学溶剂，工艺简单，可操作性强。
附图说明：
图1为未改性碳酸钙SEM图像；
图2为本发明中硼酸酯偶联改性碳酸钙SEM图像；
图3为本发明纳米纤维素复合膜(表面)SEM图像；
图4为本发明纳米纤维素复合膜(侧面)SEM图像。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本发明进行详细阐述。
实施例1：
S1、取50g碳酸钙粉末(粒径为50nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入0.5g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至75℃后开始保温，继续搅拌20min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性碳酸钙；
S2、取2g上述硼酸酯改性碳酸钙加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.5％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于30℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为90℃，热压时间为20s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例2：
S1、取50g粘土粉末(粒径为100nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入1.0g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至85℃后开始保温，继续搅拌15min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性粘土；
S2、取1.5g上述硼酸酯改性粘土加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.8％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于35℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为95℃，热压时间为30s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例3：
S1、取50g滑石粉粉末(粒径为500nm-1μm)，置于250ml的烧瓶中，加入2.0g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至90℃后开始保温，继续搅拌12min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性滑石粉；
S2、取0.8g上述硼酸酯改性滑石粉加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为1.5％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于40℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为100℃，热压时间为40s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例4：
S1、取20g碳酸钙粉末(粒径为200nm-1.5μm)、30g滑石粉粉末(粒径为200nm-1μm)，置于250ml的烧瓶中，加入0.4g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至70℃后开始保温，继续搅拌30min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性碳酸钙；
S2、取2.4g上述硼酸酯改性碳酸钙加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为1.4％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于35℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为90℃，热压时间为20s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例5：
S1、取10g滑石粉粉末(粒径为500nm-1μm)、20g粘土粉末(粒径为500nm-1.2μm)、20g无定型硅酸盐粉末(粒径为800nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入1.5g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至80℃后开始保温，继续搅拌20min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性滑石粉；
S2、取1.0g上述硼酸酯改性滑石粉加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为1.2％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于30℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为90℃，热压时间为25s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例6：
S1、取20g碳酸钙粉末(粒径为50nm-1.2μm)、15g二氧化钛粉末(粒径为300nm-1.3μm)、10g粘土粉末(粒径为500nm-1.4μm)、5g滑石粉粉末(粒径为800nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入2.5g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至90℃后开始保温，继续搅拌16min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性碳酸钙；
S2、取0.4g上述硼酸酯改性碳酸钙加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.6％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于35℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为95℃，热压时间为20s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例7：
S1、取10g粘土粉末(粒径为80nm-1.2μm)、10g碳酸钙粉末(粒径为50nm-1.5μm)10g二氧化钛粉末(粒径为300nm-1.5μm)、10g无定型硅酸盐粉末(粒径为500nm-1.2μm)、10g滑石粉粉末(粒径为100nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入0.25g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至50℃后开始保温，继续搅拌50min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性粘土；
S2、取0.2g上述硼酸酯改性粘土加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.9％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于30℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为100℃，热压时间为20s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例8：
S1、取50g滑石粉粉末(粒径为60nm-1μm)，置于250ml的烧瓶中，加入7.5g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至95℃后开始保温，继续搅拌40min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性滑石粉；
S2、取4g上述硼酸酯改性滑石粉加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为1.0％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于40℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为90℃，热压时间为20s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例9：
S1、取50g二氧化钛粉末(粒径为50nm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入0.25g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至70℃后开始保温，继续搅拌40min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性二氧化钛；
S2、取0.2g上述硼酸酯改性二氧化钛加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.8％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于30℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为95℃，热压时间为40s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
实施例10：
S1、取30g无定型硅酸盐粉末(粒径为400nm-1.2μm)、20g碳酸钙粉末(粒径为200μm-1.5μm)，置于250ml的烧瓶中，加入7.5g硼酸酯偶联剂，开启搅拌，同时开始加热，待升温至60℃后开始保温，继续搅拌30min，停止加热，继续搅拌至温度降至室温，制备得到硼酸酯改性无定型硅酸盐；
S2、取4g上述硼酸酯改性无定型硅酸盐加入20g纳米纤维素悬浮液(纳米纤维素与水的浓度比为0.5％)中，边加边搅拌，直至搅拌均匀，得到中间体；
S3、将中间体倒入模具中，置于35℃烘箱中进行干燥，干燥后在热压温度为90℃，热压时间为30s的条件下进行热压处理，得到纳米纤维素复合膜。
试验例1
将图1与图2作对比，可看出经过硼酸酯偶联剂改性后的碳酸钙与未改性的碳酸钙微观结构有很明显的变化，通过偶联剂改性后的碳酸钙明显分布更均匀，且粒径增大，说明硼酸酯偶联剂与碳酸钙表面产生了化学键连接。
从图3和图4中可以看出来，制备出来的纳米纤维素复合膜中纳米纤维素和填料很均匀的混合并成为一体，表面也很均匀，没有出现裂纹等缺陷。
试验例2
应用实施例1-10的方法制备纳米纤维素复合膜，并对其抗水性、抗油性以及拉伸断裂强度性能进行测试，结果如表2所示。
拉伸断裂强度的测试是利用强度测试仪器Instron 2710-203，测试方法按照GB1040进行：将膜材料裁剪成宽度1cm，长度10cm的矩形条，固定夹紧，启动拉伸测试至膜条拉断，记录数据；通过测定膜的接触角检测抗水性；通过Kit法检测防油等级来表示纳米纤维复合膜的抗油性能，等级数值越高代表抗油性能越好。利用Kit法检测防油等级的操作步骤为：将纳米纤维素复合膜铺展开且测试面向上，在高25mm处滴下一滴Kit号数的测试液；15s后清除纳米纤维素复合膜上剩下的测试液，立即观察油滴背面是否被渗透而变色；重新测试，直到该Kit号数测试液的纸面不被渗透而变色为止，该纳米纤维素复合膜的抗油等级即为该Kit号数值，Kit测试标准试剂中一部分如表1所示。
表1Kit测试标准试剂
表2本发明纳米纤维素复合膜性能测试
测试项目 拉伸断裂强度(MPa) 接触角(°) 抗油等级
实施例1 60.1 105.5 12级
实施例2 62.5 117.5 12级
实施例3 65.8 111.5 12级
实施例4 68.9 109 12级
实施例5 61.4 114 12级
实施例6 60.6 107.5 12级
实施例7 63.0 110.2 12级
实施例8 67.1 108.6 12级
实施例9 64.3 111.2 12级
实施例10 60.7 103.9 12级
从表2中的数据中可以看出：经过本发明的方法制备出来的纳米纤维素复合膜接触角均大于90°，说明本发明纳米纤维素复合膜具有很好的抗水性，利用Kit法测试抗油等级，结果表明本发明纳米纤维素复合膜抗油等级为12级，具有很好的抗油性。本发明的纳米纤维素复合膜具有很好抗水性和抗油性是由于改性填料的引入，利用偶联剂对填料进行改性使得填料与纳米纤维素之间的相容性更好，使填料能更均匀的与纳米纤维素进行混合，而且使填料具有很好的抗水性能，再将改性后的填料与纳米纤维素进行混合均匀，制备出复合纳米纤维素膜；因纳米纤维素膜自身的致密结构具备一定的抵抗油滴渗透的能力，与改性填料制备复合膜之后，这样使得复合纳米纤维素膜兼具有很好的抗水抗油性。此外，根据测试拉伸断裂强度表明本发明纳米纤维素复合膜拉伸断裂强度也较高，没有明显降低。其原因在于利用偶联剂对纳米级填料进行疏水改性后再与纳米纤维素进行混合，所得的复合纳米纤维素膜具备疏水性，水分子不容易吸附在纳米纤维素的表面上，就不会破坏纳米纤维素间的氢键结合，使得纳米纤维素膜的机械性能得以保持。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、填料改性：将质量比为0.5-15:100的偶联剂和填料利用干法改性工艺进行表面改性处理，得到改性填料；
S2、中间体制备：将质量比为1-20:100的改性填料与纤维素充分混合后，得中间体；
S3、产品制备：将中间体制备成复合膜。
2.根据权利要求1所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：在S1中，所述填料的粒径为50nm-1.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：在S1中，所述填料为碳酸钙、滑石粉、粘土、无定型硅酸盐、二氧化钛中的一种或两种以上的混合，两种以上混合时为任意配比。
4.根据权利要求1所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为硼酸酯偶联剂。
5.根据权利要求1所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：所述干法改性工艺包括如下步骤：将填料与偶联剂置于容器中，在持续搅拌的情况下，加热至50-95℃，保持5-50min，然后停止加热，继续搅拌至温度降至室温。
6.根据权利要求1所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：在S2中，所述纤维素为纤维素悬浊液。
7.根据权利要求6所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：在S2中，所述纤维素悬浊液为纳米纤维素悬浊液，所述纳米纤维素悬浊液中溶剂为水，纳米纤维素浓度为0.5-2％。
8.根据权利要求7所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：在S3中，首先将S2得到的中间体中含有的溶剂去除，然后进行热压处理得到复合膜。
9.根据权利要求8所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：所述热压处理包括如下步骤：将中间体放入到模具中，然后在30-40℃进行干燥，干燥后进行热压处理。
10.根据权利要求9所述的一种抗水抗油纳米纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：所述热压温度为90-100℃，热压时间为20-40s。
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