CN110903500A - 一种基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料的制备。本申请采用纳米纤维素为原料进行制备和离子液体改性,使其成为具有二氧化碳响应开关性能的材料。本处理可赋予纳米纤维素材料极性转换,电导率转换,pH值转换等在内的物理、化学性质转换特性,从而拓宽了纳米纤维素材料的应用范围。本发明操作简单,效果明显,实用性强,污染小,易于推广。
Description
技术领域
本发明属于生物质材料制备技术领域,尤其涉及一种基于离子液体改性的纳 米纤维素导电材料。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不 必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所 公知的现有技术。
新型功能材料,尤其是将多种功能集成于一体的多功能材料,是目前材料科 学研究的前沿和热点。无机有机杂化材料将两种或两种以上的功能基元在分子水 平上进行复合、组装及杂化,形成性能互补优化的复合材料,其具有理想的电学、 光学、磁学及生物活性等复合性质,是最具潜力的新材料之一。其中具有响应开 关特性的杂化材料,由于其物理、化学性能的转换性,大大丰富了应用范围,具 有良好的应用前景,成为近年来材料领域的研究热点。
近几年,先进国家特别是美国、加拿大,欧洲,日韩各国,都把研发植物纤 维素纳米纤维作为科技前沿领域予以重视,科技界和企业界更把植物微纳米纤维 素作为研究重点和热点,其发展速度达到惊人地步,并开拓出关键的应用领域。 纤维素纳米纤维作为新兴的纳米材料在拥有天然纤维素的基本性能的同时,其纳 米尺寸赋予其小尺寸效应,使纳米纤维素具有许多优良特性,如质轻、高强度、 高杨氏模量、高比表面积、高反应活性高以及特殊的流变性能等。这些特性使纳 米纤维素在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、医学、涂料以及航空等领域具有 巨大的潜在应用前景,是当今国际科学研究的热点和重点。
离子液体是一种完全由阴阳离子组成,在室温下即呈现液态的低温熔融盐。 它具有热稳定性好、可回收、不挥发和溶解性好的特点。
例如:论文《功能型离子液体的合成表征及CO2吸收性能》(刘维伟)合成 了两种传统型离子液体[bmim]BF4和[emim]BF4及含有胺基和羟基的功能型离子 液体[NH2P-mim]Br、[NH2-e-mim]BF4、[OH-e-mim]Br。常温常压条件下,对所合 成的离子液体开展CO2吸收性能实验,发现胺基改性离子液体[NH2P-mim]Br、 [NH2-e-mim]BF4和羟基改性离子液体[OH-e-mim]Br的CO2饱和吸收量分别是常 规离子液体的3~9倍和1~2倍,且含有乙基官能团的离子液体吸收平衡时间普 遍较短。最终探讨了温度、CO2分压等对功能型离子液体吸收CO2过程的影响。
而将此类响应开关性质赋予纳米纤维素材料,从而进一步的增大纳米纤维素 材料的应用范围,是具有广阔前景的。开关特性的加入可以调控其性质从而在食 品、化妆品、医学、涂料以及航空等领域具有非常大的应用潜力。但目前尚无简 单、高效的制备二氧化碳响应开关的方法。
发明内容
为了克服上述问题,本发明提供了一种基于离子液体改性的纳米纤维素开关 材料制备及应用。本发明以纳米纤维素为原料,通过对纳米纤维素材料进行离子 液体改性,赋予其二氧化碳响应开关性能,其物理状态、电导率、极性、pH值 等相关性能可通过二氧化碳的吸放进行转变。
为实现上述技术目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,将纳米纤维素水溶 液与离子液体溶液混合均匀,然后,通入二氧化碳,即得纳米纤维素开关材料。
本发明的设计构思为:通过纳米级杂化反应,将咪唑类离子液体负载到纳 米纤维素材料上,对纳米纤维素进行改性,并制得基于离子液体改性的纳米纤维 素开关材料。利用咪唑类离子液体的二氧化碳响应开关性能,赋予纳米纤维素物 理、化学性质的转换特性,从而丰富纳米纤维素材料的用途。
在一些实施例中,所述纳米纤维素为纤维素纳米晶体,纤维素纳米纤丝中的 至少一种。本发明的原理为:纳米纤维素材料表面有着丰富的羟基基团,可以 与离子液体形成强氢键作用。而咪唑类离子液体具有二氧化碳响应开关性能,具 有极性转换、电导率转换、pH值转换等性能。通过将两种原料在纳米尺度下的 杂化反应可以达到使用咪唑类离子液体将纳米纤维素材料杂化改性的效果,从而 制得具有物理、化学性质的转换特性的基于离子液体改性的纳米纤维素二氧化碳 响应开关材料。
在一些实施例中,所述离子液体为咪唑,1-甲基咪唑,2-甲基咪唑,4-甲基 咪唑,1,2,-二甲基咪唑,1,4-二甲基咪唑,2,4-二甲基咪唑中至少一种。咪唑类 的离子液体具有二氧化碳响应开关转换的性能,可以通过吸放二氧化碳达到极性、 电导率、pH值等变换的效果。因此,通过将咪唑类离子液体加载到纳米纤维素 材料中可以丰富纳米纤维素材料性能增大其利用范围,具有广泛的应用前景。
本申请中对纳米纤维素的制备方法并不作特殊的限定,在一些实施例中,所 述纳米纤维素采用酸水解法,TEMPO(四甲基哌啶氮氧化物)氧化法,酶处理 法或机械法制备,以提高制备效率。
为了获得较优的二氧化碳响应性能,本申请对纳米纤维素水溶液、离子液体 水溶液以及二者的混合比例进行了优化,因此,在一些实施例中,所述纳米纤维 素水溶液的浓度范围为0.5~5wt%,所述离子液体水溶液的浓度为0.01~10M, 所述纳米纤维素溶液与离子液体水溶液的比例为1:0.1~10,提高了可控导电开 关材料对二氧化碳响应性能。
在一些实施例中,所述纳米纤维素的长度为100~500nm,直径为10~50nm, 提高了纳米尺度下的杂化反应的效率,改性的效果更优。
本发明还提供了任一上述的方法制备的基于离子液体改性的纳米纤维素可 控导电开关材料。
本发明还提供了上述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料 在纳米纤维素水凝胶体系制备,极性转换,电导率转换,pH值转换,储放二氧 化碳,以及缓释材料领域的应用。
本申请还提供了具有响应开关性质的纳米纤维素材料在在食品、化妆品、医 学、涂料以及航空领域中的应用。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明通过离子液体改性纳米纤维素,制备了具有二氧化碳响应可控 导电开关性能的材料。具有物理状态转变、极性转换、电导率转换、pH值转换 等性能。
(2)使用离子液体改性的纳米纤维素水凝胶在通入二氧化碳后保水效果显 著提升,具有储运二氧化碳等应用前景。
(3)基于离子液体改性的纳米纤维素开关材料可随着二氧化碳的逸出逐渐 液化,适用于医疗、美容等领域。
(4)本发明以纳米纤维素材料作为原料,具有绿色环保、可再生等优点。
(5)本发明中所用离子液体结构稳定,零蒸气压,可回收利用,绿色环保。
(6)本发明的处理方法简单、成本低、实用性强,易于推广。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明,本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限 制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出, 否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或 它们的组合。
正如背景技术所介绍的,针对目前响应开关特性的杂化材料制造工艺复杂、 性能不稳定的问题。因此,本发明提出一种基于离子液体改性的纳米纤维素可控 导电材料,将此类二氧化碳响应开关性质赋予纳米纤维素材料,从而进一步的增 大纳米纤维素材料的应用范围,是具有广阔前景的。开关特性的加入可以调控其 性质从而在食品、化妆品、医学、涂料以及航空等领域具有非常大的应用潜力。
其实验包括以下步骤:
(1)纳米纤维素水溶液制备:取纳米纤维素原料,加入去离子水配置纳米 纤维素水溶液;
(2)离子液体改性:上述纳米纤维素水溶液,加入离子液体水溶液,混合, 常温反应;
(3)通入二氧化碳:上述经过离子液体改性的纳米纤维素水溶液,通入二 氧化碳气体,静置,冷藏,得离子液体改性的纳米纤维素开关材料。
虽然以上技术方案不涉及具体的工艺参数,但是根据本发明的发明构思,特 别针对采用离子液体改性的纳米纤维素可控导电材料。
进一步的,所述纳米纤维素包括纤维素纳米晶体(CNC),纤维素纳米纤丝 (CNF)等中一种或几种的混合。
进一步的,所述纳米纤维素原料可通过,但不局限于,酸水解法,TEMPO 氧化法,酶处理法,机械法等处理方法制备。
进一步的,所述离子液体为咪唑,1-甲基咪唑,2-甲基咪唑,4-甲基咪唑,1, 2,-二甲基咪唑,1,4-二甲基咪唑,2,4-二甲基咪唑等中一种或几种的混合。
进一步的,所述步骤(2)中纳米纤维素水溶液的浓度范围为0.5~5wt%。
进一步的,所述步骤(2)中离子液体水溶液的浓度为0.01~10M。
进一步的,所述步骤(2)中纳米纤维素溶液与离子液体水溶液的比例为1: (0.1~10)。
优选的,所述纳米纤维素的长度为100~500nm,直径为10~50nm。
优选的,所述纳米纤维素的种类为TEMPO氧化纤维素纳米纤丝(TOCNF)。
优选的,所述纳米纤维素与离子液体溶液的比例为3:2~2:3。
优选的,所述离子液体溶液的浓度为1M。
下面结合具体的实施例,对本发明做进一步的详细说明,应该指出,所述具 体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1:
步骤如下:
(1)取TEMPO氧化的纤维素纳米纤维素(TOCNF),加入去离子水配置1 wt%的纳米纤维素水溶液;
(2)取上述纳米纤维素水溶液,按(纳米纤维素水溶液:离子液体水溶液) 质量比3:2,1:1,2:3加入1M的1-甲基咪唑离子液体水溶液,混合,常温反应5 分钟;
(3)上述经过离子液体改性的纳米纤维素水溶液,通入二氧化碳气体5分 钟,静置,冷藏,得离子液体改性的纳米纤维素开关材料。
结果:以上获得的纳米纤维素开关材料可以通过加热或充入氮气,和充入 二氧化碳的形式触发纳米纤维素材料的开关性质。该材料在排出二氧化碳时呈溶 液状,pH值高,电导率低;充入二氧化碳后呈凝胶状,pH值低,电导率高。
实施例2:
步骤如下:
(1)取TEMPO氧化的纤维素纳米纤维素(TOCNF),加入去离子水配置1 wt%的纳米纤维素水溶液;
(2)取上述纳米纤维素水溶液,按(纳米纤维素水溶液:离子液体水溶液) 质量比3:2,1:1,2:3加入1M的2-甲基咪唑离子液体水溶液,混合,常温反应5 分钟;
(3)上述经过离子液体改性的纳米纤维素水溶液,通入二氧化碳气体5分 钟,静置,冷藏,得离子液体改性的纳米纤维素开关材料。
结果:以上获得的纳米纤维素开关材料可以通过加热或充入氮气,和充入 二氧化碳的形式触发纳米纤维素材料的开关性质。该材料在排出二氧化碳时呈溶 液状,pH值高,电导率低;充入二氧化碳后呈凝胶状,pH值低,电导率高。
实施例3:
步骤如下:
(1)取TEMPO氧化的纤维素纳米纤维素(TOCNF),加入去离子水配置1 wt%的纳米纤维素水溶液;
(2)取上述纳米纤维素水溶液,按(纳米纤维素水溶液:离子液体水溶液) 质量比3:2,1:1,2:3加入1M的4-甲基咪唑离子液体水溶液,混合,常温反应5 分钟;
(3)上述经过离子液体改性的纳米纤维素水溶液,通入二氧化碳气体5分 钟,静置,冷藏,得离子液体改性的纳米纤维素开关材料。
结果:以上获得的纳米纤维素开关材料可以通过加热或充入氮气,和充入 二氧化碳的形式触发纳米纤维素材料的开关性质。该材料在排出二氧化碳时呈溶 液状,pH值高,电导率低;充入二氧化碳后呈凝胶状,pH值低,电导率高。
最后应该说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并 不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明, 对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述实施例所记载的技术 方案进行修改,或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和 原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明 的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述,但 并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发 明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可 做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,将纳米纤维素水溶液与离子液体溶液混合均匀,然后,通入二氧化碳,即得纳米纤维素开关材料。
2.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述纳米纤维素为纤维素纳米晶体,纤维素纳米纤丝中的至少一种。
3.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述离子液体为咪唑,1-甲基咪唑,2-甲基咪唑,4-甲基咪唑,1,2,-二甲基咪唑,1,4-二甲基咪唑,2,4-二甲基咪唑中至少一种。
4.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述纳米纤维素采用酸水解法,TEMPO氧化法,酶处理法或机械法制备。
5.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述纳米纤维素水溶液的浓度范围为0.5~5wt%。
6.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述离子液体水溶液的浓度为0.01~10M。
7.如权利要求1所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料,其特征在于,所述纳米纤维素溶液与离子液体水溶液的比例为1:0.1~10;
或所述纳米纤维素的长度为100~500nm,直径为10~50nm。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料。
9.权利要求8所述的基于离子液体改性的纳米纤维素可控导电开关材料在纳米纤维素水凝胶体系制备,极性转换,电导率转换,pH值转换,储放二氧化碳,以及缓释材料领域的应用。
10.具有响应开关性质的纳米纤维素材料在在食品、化妆品、医学、涂料以及航空领域中的应用。
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