CN110204748B - 一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用 - Google Patents

一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用，涉及天然高分子领域，也属化学、环境工程领域。先制备TEMPO氧化纤维素，然后加入去离子水配制成氧化纤维素悬浮液，再用超声波处理悬浮液，并采用旋转蒸发去除悬浮液中的部分水分，最后采用溶液流延法制得到高雾度高透光率柔性纤维素膜。该方法具有制备工艺简单、成本低、易操作等特点。本发明的制备方法能直接用于工业生产，提高纤维素膜的光学性能即透光率和雾度，且制备的纤维素膜的表面平整度高，具有质轻、价格低廉的特点，可以应用于光电基底材料。

Description

一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及天然高分子领域，也属化学、环境工程领域，特别涉及一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用。
背景技术
当今社会，资源与环境成为普遍关注的重大问题。以石油产品为原料的合成高分子应用广泛，然而石油储量日益匿乏，并且对环境及人类健康具有严重的负面影响。开发可持续、可再生能源是应对能源短缺及环境污染的有效方式之一。而纤维素是棉花、木材、亚麻、草类等高等植物细胞壁的主要成分，每年通过光合作用可产生的纤维素有几百亿吨。可以说，纤维素在自然界中是最丰富且可再生的有机资源。
目前为止，纤维素膜的生产，一部分利用纤维素衍生物如醋酸纤维素制成膜产品，一部分是利用纤维素溶剂如N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、离子液体等溶解纤维素并通过挤出或涂布的方式凝胶成膜，但是纤维素溶剂价格昂贵且溶解纤维素需要比较高的温度，使得用此方法制备纤维素膜无法实现大规模生产。近年来，利用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)预处理纤维素再通过机械处理可获得纳米纤维素，其成膜性良好，所制备的纳米纤维素膜透光率可达90％以上，但是雾度极低，且纳米纤维素的制备过程繁琐，耗能比较大。大多数研究者们将原纸浆纤维添加到纳米纤维素中共混，以此提高控制纤维素膜的雾度。但是其制备过程复杂，耗时较长，无法实现工业化生产。因此开发一种工艺简单，具有优异的光学性能，且雾度较高的柔性纤维素膜制备方法，成为了各大高校和科研院所研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法及其应用。该方法具有工艺简单、成本低、易操作等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明首先提供了一种高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法，先制备TEMPO氧化纤维素，然后加入去离子水配制成氧化纤维素悬浮液，再用超声波处理悬浮液，并采用旋转蒸发去除悬浮液中的部分水分，最后采用溶液流延法制得到高雾度高透光率柔性纤维素膜；所述超声波处理的条件为：超声功率60～450W，超声时间5～15min，超声过程保持悬浮液温度为20～30℃。
更具体地，所述制备方法包括以下步骤：
1)TEMPO氧化纤维素：按常规方法制备；
2)超声波处理TEMPO氧化纤维素：在步骤1)制备的TEMPO氧化纤维素中加入去离子水，配制成氧化纤维素悬浮液，然后用超声波处理；
3)超声后的纤维素旋转蒸发：往步骤2)获得的纤维素悬浮液加入少量无水乙醇(加快水分去除)，再进行旋转蒸发去除纤维素悬浮液中的部分水分；
4)纤维素膜的制备：将步骤3)获得的纤维素悬浮液倾倒在玻璃培养皿中，并在恒温恒湿箱中干燥即得高雾度高透光率柔性纤维素膜。
进一步地，所述TEMPO氧化纤维素所用的纤维素氧化体系为TEMPO/NaBr/NaClO体系。
进一步地，步骤2)所述氧化纤维素悬浮液的质量百分浓度为0.5～4％。
进一步地，步骤2)所述超声波处理采用的仪器为带有超声波探针的超声波处理器。
本发明还提供了由所述制备方法制备的柔性纤维素膜。以及以所述柔性纤维素膜为基底材料制备透明导电材料的用途。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和特点：
(1)本发明的制备方法具有制备过程简单，成本低、易操作等特点。
(2)本发明的制备方法能直接用于工业生产，提高纤维素膜的光学性能即透光率和雾度，且制备的纤维素膜的表面平整度高，具有质轻、价格低廉的特点，可以应用于光电基底材料。
附图说明
图1为实施例一中纤维素膜的透光率及雾度随波长变化的图片。
图2为不同超声功率下制备的纤维素膜的SEM图，上：表面形貌，下：断面结构。
图3为波长为550nm处超声功率与纤维素膜的透光率和雾度的关系。
图4为超声功率对纤维素膜力学性能的影响。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
1)称取10g加勒比松溶解浆，加入990g去离子水，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，机械搅拌分散均匀后进行TEMPO氧化处理。TEMPO氧化工艺如下：搅拌速度为500rpm/min，氧化体系pH为10.5，次氯酸钠用量为4.5mmol/g(绝干浆)，氧化时间为6h。
2)称取2g TEMPO氧化后的纤维素(以绝干浆计)，加入198g去离子水，磁力搅拌30min，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，将分散后的纤维素悬浮液置于冰水中，然后置于超声波处理器探针下进行超声处理，超声功率为180W，超声时间10min。由于超声过程中会放出大量的热，因此每超声5min换一次冰水，使纤维素悬浮液温度维持在20～30℃。
3)称取100g步骤2)获得的纤维素悬浮液，加入50mL的无水乙醇，再进行旋转蒸发去除纤维素悬浮液中的部分水分，使100g的纤维素悬浮液蒸发至75g。旋转蒸发的工艺条件如下：旋转蒸发温度为70℃，旋转速度为80rmp/min。
4)纤维素膜的制备：取20g步骤3)获得的纤维素悬浮液倾倒在玻璃培养皿中，并在恒温恒湿箱中干燥即可得高雾度高透光率纤维素膜。恒温恒湿干燥的条件：温度为25℃，湿度为50％，干燥时间为3-4天。
上述制备的纤维素膜的透光率及雾度随波长变化的图片如图1可知，所制备的纤维素膜在波长550nm下透光率为89.8％，雾度为76.2％。上述制备的纤维素膜应用于太阳能电池基底材料，其表面粗糙度为1.82nm，拉伸强度为15.45MPa，初始热分解温度为199℃。
实施例二
1)称取10g加勒比松溶解浆，加入990g去离子水，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，机械搅拌分散均匀后进行TEMPO氧化处理。TEMPO氧化工艺如下：搅拌速度为500rpm/min，氧化体系pH为10.5，次氯酸钠用量为12mmol/g(绝干浆)，氧化时间为6h。
2)称取2g TEMPO氧化后的纤维素(以绝干浆计)，加入198g去离子水，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，再用超声波处理器以60W的功率进行分散。
3)称取100g步骤2)获得的纤维素悬浮液，加入50mL的无水乙醇，再进行旋转蒸发去除纤维素悬浮液中的水分。旋转蒸发的工艺条件如下：旋转蒸发温度为70℃，旋转速度为80rmp/min。
4)纤维素膜的制备：将20g步骤3)获得的纤维素悬浮液倾倒在玻璃培养皿中，并在恒温恒湿箱中干燥即可得高雾度高透光率纤维素膜。恒温恒湿干燥的条件：温度为25℃，湿度为50％，干燥时间为3-4天。
上述制备的纤维素膜在波长550nm下透光率为81.1％，雾度为84.7％，上述制备的纤维素膜应用于太阳能电池基底材料，其表面粗糙度为6.85nm，如图2所示，拉伸强度为2.14MPa，初始热分解温度为201℃。
实施例三
1)称取10g加勒比松溶解浆，加入990g去离子水，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，机械搅拌分散均匀后进行TEMPO氧化处理。TEMPO氧化工艺如下：搅拌速度为500rpm/min，氧化体系pH为10.5，次氯酸钠用量为12mmol/g(绝干浆)，氧化时间为6h。
2)称取2g TEMPO氧化后的纤维素(以绝干浆计)，加入198g去离子水，配制成质量百分浓度为1％的纤维素悬浮液，再用超声波处理器以480W的功率进行分散。
3)称取100g步骤2)获得的纤维素悬浮液，加入50mL的无水乙醇，再进行旋转蒸发去除纤维素悬浮液中的水分。旋转蒸发的工艺条件如下：旋转蒸发温度为70℃，旋转速度为80rmp/min。
4)纤维素膜的制备：将20g步骤3)获得的纤维素悬浮液倾倒在玻璃培养皿中，并在恒温恒湿箱中干燥即可得高雾度高透光率纤维素膜。恒温恒湿干燥的条件：温度为25℃，湿度为50％，干燥时间为3-4天。
上述制备的纤维素膜在波长550nm下透光率为90.0％，雾度为7.46％，上述制备的纤维素膜应用于太阳能电池基底材料，其表面粗糙度为2.32nm，拉伸强度为23.44MPa，初始热分解温度为195℃。
通过实施例一至实施例三，发现影响雾度大小的主要因素是处理纤维素悬浮液的超声功率，通过控制超声功率，从而实现雾度可控。相比将原纸浆纤维添加到纳米纤维素中共混制备的纤维素膜，制备所得的纤维素膜的雾度可控的同时，其透光率也可达90％。如图3所示，在超声功率为60～1200W范围内，纤维素膜的透光率为81.1～90.7％，雾度为84.7～1.0％。因此控制超声功率在图3的虚线框内，则可得到高雾度高透光率柔性纤维素膜。同时，超声功率也会影响纤维素膜的拉伸性能，如图4所示。

Claims (5)

1.一种通过控制高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备中超声功率从而实现雾度可控的应用，其特征在于：所述高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备方法如下：先制备TEMPO氧化纤维素，然后加入去离子水配制成氧化纤维素悬浮液，将分散后的纤维素悬浮液置于冰水中，再用超声波处理悬浮液，并采用旋转蒸发去除悬浮液中的部分水分，最后采用溶液流延法制备纤维素膜；所述超声波处理的条件为：超声功率180~450W，超声时间5~15min，超声过程保持悬浮液温度为20~30℃；通过控制超声功率，从而实现雾度可控。
2.根据权利要求1所述的通过控制高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备中超声功率从而实现雾度可控的应用，其特征在于：包括以下步骤：
1）TEMPO氧化纤维素的制备；
2）超声波处理TEMPO氧化纤维素：在步骤1）制备的TEMPO氧化纤维素中加入去离子水，配制成氧化纤维素悬浮液，置于冰水中，然后用超声波处理；
3） 脱水：往步骤2）获得的纤维素悬浮液加入无水乙醇，再进行旋转蒸发去除纤维素悬浮液中的部分水分；
4）纤维素膜的制备：将步骤3）获得的纤维素悬浮液倾倒在玻璃培养皿中，并在恒温恒湿箱中干燥即得高雾度高透光率柔性纤维素膜。
3.根据权利要求2所述的通过控制高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备中超声功率从而实现雾度可控的应用，其特征在于，所述TEMPO氧化纤维素所用的纤维素氧化体系为TEMPO/NaBr/NaClO体系。
4.根据权利要求2所述的通过控制高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备中超声功率从而实现雾度可控的应用，其特征在于，步骤2）所述氧化纤维素悬浮液的质量百分浓度为0.5~4%。
5.根据权利要求2所述的通过控制高雾度高透光率柔性纤维素膜的制备中超声功率从而实现雾度可控的应用，其特征在于，步骤2）所述超声波处理采用的仪器为带有超声波探针的超声波处理器。
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