CN115558166A

CN115558166A - 一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法

Info

Publication number: CN115558166A
Application number: CN202211149322.3A
Authority: CN
Inventors: 袁占辉; 周为明; 陈欣琪
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-01-03

Abstract

本发明涉及一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法，包括前驱体的配置、沉积基材表面活化处理、辊对辊工艺控制成膜厚度和膜厚的均匀性、干燥和剥离，制备厚度可控的纤维素基光学颜色效果薄膜；然后经热处理、破碎和分级等流程，制备成具有多种颜色效果的片状颜料。本发明通过卷绕式工艺，实现大面积连续规模化工业生产纤维素基效果颜料，通过调控辊对辊的工艺参数和优化纤维素纳米晶悬浮液的配方，调控制备不同厚度的薄膜，从而使制备的薄膜呈现具有不同光学的颜色；以竹基纤维素纳米晶为主要原料，与传统的无机效果颜料相比具有不含重金属、绿色天然环保、可持续和降解，制备工艺过程无需经高温等高能耗处理，满足绿色发展的理念。

Description

一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法

技术领域

本申请涉及效果颜料的制备，具体地，涉及一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法。

背景技术

效果颜料是一类给人带来视觉冲击的颜料，包括金属效果颜料和光干涉效果颜料。传统的效果颜料是以低折射率片状的无机云母、二氧化硅、氧化铝、氯氧化铋为基材，通过在其表面包覆高折射率的金属氧化物产生具有干涉的光学颜色效果，这些均不是可持续和降解的生产原料。目前效果颜料被广泛应用于化妆品、饮料、油漆、防伪、汽车涂料和包装等行业中，然而此类颜料的基材主要以天然和合成云母为主要成分，包含大量的不可控重金属，而且制备过程需要较高的温度处理才能显现出优异的色泽，涉及到不可再生天然资源的大量破坏和高能耗的制备工艺，产品废弃物容易导致环境的二次污染。

近年来，效果颜料行业在产品性能、质量、稳定性等方面有了明显地提高，但产品结构仍不尽合理，大多为附加值较低的常规品种，同质化现象较为严重，部分品种出现了产能过剩的情况。因此，寻找绿色环保、低成本、可持续和再生的材料来生产具有光学效果和特殊功能性的彩色薄膜，以取代现有天然和合成的无机物，具有非常重要的环境和商业价值。

生物质材料是指利用可再生的天然生物质为原料，通过生物、化学以及物理等方法制造的一类新材料。中国是竹类资源最丰富的国家，约占世界竹林总面积的1/4，素有“竹子王国”之称。竹材的主要成分为纤维素含量为45-52％，具有生长周期短、成本低、可再生等特点使其成为纤维素纳米晶的主要来源之一。竹基纤维素纳米晶具有纳米级尺寸、大的长径比和比表面积、高强度、良好的生物相容性、可降解性、低成本等优点，在光学材料方面得到广泛运用。然而，目前所制备的纤维素纳米晶薄膜主要依靠刮涂法、铸造法和旋涂法，较难精准控制厚度和均匀性而实现多种颜色光学效果，因此亟需开发一种满足需求且适宜大规模生产的工艺技术。

发明内容

本申请解决背景技术中提出的技术问题，提供一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法，通过纤维素纳米晶自组装定向沉积，并精准控制膜层厚度，从而制备具有光学色彩且颜色可调控的竹纤维素纳米晶薄膜，通过破碎和分选获得不同粒径需求的片状效果颜料，该制备方法可实现连续规模化生产，并且该工艺可精准调控不同颜色效果。

为解决上述技术问题，本申请提供的技术方案为：一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法，包括如下方法步骤：

(1)前驱体的配置：将纤维素纳米晶以水为分散剂，制备成纤维素纳米晶悬浮液作为前驱体；

(2)沉积基材表面活化处理：对沉积基材，进行表面活化处理；

(3)通过漏斗装置实现均匀并连续添加纤维素纳米晶悬浮液，并采用卷绕式牵引装置带动沉积基材连续经过漏斗装置下方；

(4)辊对辊沉积：纤维素纳米晶悬浮液通过漏斗装置在沉积基材表面形成膜层，辊对辊装置配合漏斗装置出口处设置，调控膜层厚度和膜层厚度的均匀性；

(5)干燥：对沉积基材表面的纤维素薄膜，进行静态或热风干燥；

(6)剥离和热处理：采用刮刀将纤维素薄膜与沉积基材分离，并通过加热室对纤维素薄膜进行热处理；

(7)破碎和分级：对经过热处理的纤维素薄膜，经破碎和尺寸分选，获得具有可控粒径的片状效果颜料。

进一步的，所述步骤(2)中，所述纤维素纳米晶的原料为竹材，质量分数为1-50％，直径为5-50nm，长度为50-500nm。

进一步的，所述步骤(2)中，沉积基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜PET、聚乙烯薄膜PE、聚丙烯薄膜CPP、聚氯乙烯薄膜PVC、聚四氟乙烯薄膜PTFE、聚碳酸酯PC中的一种，所述表面活化处理方法为等离子体放电、电晕放电、紫外光辐照中的一种。

进一步的，所述步骤(4)中，调控并获得薄膜的不同颜色，包括黄、红、蓝和绿。

进一步的，所述步骤(5)中，干燥温度为20-100℃，所述步骤(6)中热处理温度为100-250℃。

进一步的，所述步骤(7)中，获得彩色片状效果颜料粒径为1-10000um，厚度为200～1200nm，拉伸强度为40～120MPa，杨氏模量为4～33GPa，断裂伸长率为0.7～3.2％，光泽度(亮度)L*为50-90，黄色色差值(a*＝-40～+40，b*＝+40～+100)，红色色差值(a*＝+10～+100，b*＝+40～-40)，蓝色色差值(a*＝-10～+40，b*＝-40～-100)，绿色色差值(a*＝-40～-100，b*＝+40～-40)。

进一步的，所述步骤(7)中，破碎方法为机械研磨、超声破碎、水力破碎中的一种，所述尺寸分选方式为液相沉积分选、筛分分选、离心分选中的一种。

本申请具有如下优点：本发明采用森林资源丰富的竹材为原料，通过传统的酸化水解法提取纤维素纳米晶并配制成水基悬浮液。经过定向沉积在经表面活化处理的基材、利用卷绕式并结合辊对辊工艺实现连续规模化精准调控膜层厚度和膜层厚度的均匀性，然后经干燥、剥离、热处理、破碎和分级等流程，获得具有不同粒径和颜色效果的竹基纤维素效果颜料。

本发明通过卷绕式工艺实现连续将纤维素纳米晶悬浮液沉积在基材上，克服以往技术不能连续生产的问题，同时本工艺可实现规模化生产。

本发明通过调控辊对辊的涂层参数设计和纤维素纳米晶悬浮液的配方，可以制备厚度和厚度均匀性可精准调控的薄膜，从而得到不同光学颜色的薄膜。

本发明所制备的薄膜以生物质材料纤维素纳米晶为原料，与传统的无机效果颜料相比具有不含重金属、绿色天然环保、可持续再生和降解等优点，且制备过程无需高能耗的高温煅烧工艺，此外根据不同的下游应用需求，获得任意“订制”尺寸的片状效果颜料。

附图说明

图1为实施例1中纤维素效果颜料制备流程示意图；

图2(a)为实施例1中质量分数50％的纤维素纳米晶悬浮液照片；

图2(b)为实施例2中质量分数1％的纤维素纳米晶悬浮液照片；

图3为实施例1中纤维素纳米晶的扫描电子显微镜图片；

图4为实施例2中制备的纤维素薄膜照片；

图5为实施例3中制备的纤维素片状效果颜料分散在水中照片；

图6为实施例4中制备的纤维素片状效果颜料分散在水中照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请做进一步的详细说明。

本发明中纤维素纳米晶的制备方法为：

在室温下，将竹粉以1:10g/mL与20wt％的NaOH水溶液混合搅拌4h。过滤所得浆液，并用约500mL去离子水彻底清洗，直到达到中性pH值。然后将预处理后的纤维在40℃下干燥，然后预处理纤维和50wt％的硫酸以质量比例为1:20形成混合物，并在50℃下剧烈搅拌1h，待冷却后用冷水稀释15倍，使酸水解停止。稀释悬浮液通过滤纸过滤。然后将所得的湿浆料重新分散在蒸馏水中，并搅拌混合物20分钟。离心分级为不同尺寸的纤维素纳米晶。

实施例1

本实施例提供的纤维素效果颜料的制备流程如图1所示；

1)将纤维素纳米晶以水为分散剂，制备成质量分数为50％的纤维素纳米晶悬浮液，通过离心分级纤维素纳米晶直径为50nm，长度为500nm；

2)通过电晕放电照对沉积基材聚对苯二甲酸乙二醇酯膜PET进行表面活化处理；

3)在辊对辊装置的上部通过漏斗均匀连续将纤维素纳米晶悬浮液添加到设备中，并控制加入的速度；

4)沉积基材经牵引装置带动匀速平移通过辊对辊装置，在基材表面自组装定向沉积成连续的、可控厚度1um的均匀纤维素薄膜；

5)通过静态或热风干燥(干燥温度为100℃)基材表面的纤维素薄膜；

6)采用塑料刀将纤维素薄膜与基材分离，并通过加热室(热处理温度为250℃)，或者将分离的纤维素薄膜取出分步干燥，获得独立的彩色薄膜；

7)上述经过热处理的纤维素薄膜，经机械研磨和液相沉积分选，获得片状效果颜料。

实施例1纤维素纳米晶悬浮液见图2(a)，扫描电子显微镜图片见图3。

实施例2

1)将纤维素纳米晶以水为分散剂，制备成质量分数为1％的纤维素纳米晶悬浮液，通过离心分级纤维素纳米晶直径为5nm，长度为50nm；

2)通过电晕放电对沉积基材聚对苯二甲酸乙二醇酯膜PET进行表面活化处理；

4)沉积基材经牵引装置带动匀速平移通过辊对辊装置，在基材表面自组装定向沉积成连续的、可控厚度的均匀纤维素薄膜；

5)通过静态或热风干燥(干燥温度为20℃)基材表面的纤维素薄膜；

6)采用塑料刀将纤维素薄膜与基材分离，并通过加热室(热处理温度为100℃)，或者将分离的纤维素薄膜取出分步干燥，获得独立的彩色薄膜；

7)上述经过热处理的纤维素薄膜，经机械研磨和离心分层分选，获得片状效果颜料。

实施例2纤维素纳米晶悬浮液见图2(b)，制备的纤维素薄膜照片见图4。

实施例3

1)将纤维素纳米晶以水为分散剂，制备成质量分数为6％的纤维素纳米晶悬浮液，通过离心分级纤维素纳米晶直径为20nm，长度为150nm；

2)通过等离子体放电对沉积基材聚乙烯薄膜PE进行表面活化处理；

5)通过静态或热风干燥(干燥温度为80℃)基材表面的纤维素薄膜；

6)采用塑料刀将纤维素薄膜与基材分离，并通过加热室(热处理温度为160℃)，或者将分离的纤维素薄膜取出分步干燥，获得独立的彩色薄膜；

7)上述经过热处理的纤维素薄膜，经超声破碎和筛分分选，获得片状效果颜料。

实施例3制备的纤维素效果颜料分散在水中照片见图5，其膜厚度约为～800nm，颜色色度坐标为(a*＝-78，b*＝-8)。

实施例4

1)将纤维素纳米晶以水为分散剂，制备成质量分数为9％的纤维素纳米晶悬浮液，通过离心分级纤维素纳米晶直径为10nm，长度为300nm；

2)通过紫外光辐照对沉积基材聚氯乙烯薄膜PVC进行表面活化处理；

5)通过静态或热风干燥(干燥温度为60℃)基材表面的纤维素薄膜；

7)上述经过热处理的纤维素薄膜，经水力破碎和液相沉积分选，获得片状效果颜料。

实施例4制备的纤维素效果颜料分散在水中照片见图6，其膜厚度为～600nm，颜色色度坐标为(a*＝+40，b*＝-38)。

尽管主要参照确定的实施形式已示出和已描述本发明，但是熟悉本专业领域的技术人员应理解，可以对其在构建方案和细节方面等进行众多改变，而不背离权利要求所限定的保护范围。因而，本发明的保护范围通过权利要求来确定，并且包括落入权利要求的词义或者等同范围之下的所有改变。

Claims

1.一种连续规模化制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于，包括如下方法步骤：

2.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述纤维素纳米晶的原料为竹材，质量分数为1-50％，直径为5-50nm，长度为50-500nm。

3.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，沉积基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜PET、聚乙烯薄膜PE、聚丙烯薄膜CPP、聚氯乙烯薄膜PVC、聚四氟乙烯薄膜PTFE、聚碳酸酯PC中的一种，所述表面活化处理方法为等离子体放电、电晕放电、紫外光辐照中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，调控并获得薄膜的不同颜色，包括黄、红、蓝和绿。

5.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，干燥温度为20-100℃，所述步骤(6)中热处理温度为100-250℃。

6.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，获得彩色片状效果颜料粒径为1-10000um，厚度为200～1200nm，拉伸强度为40～120MPa，杨氏模量为4～33GPa，断裂伸长率为0.7～3.2％，光泽度(亮度)L*为50-90，黄色色差值(a*＝-40～+40，b*＝+40～+100)，红色色差值(a*＝+10～+100，b*＝+40～-40)，蓝色色差值(a*＝-10～+40，b*＝-40～-100)，绿色色差值(a*＝-40～-100，b*＝+40～-40)。

7.根据权利要求1所述的制备竹基纤维素效果颜料的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，破碎方法为机械研磨、超声破碎、水力破碎中的一种，所述尺寸分选方式为液相沉积分选、筛分分选、离心分选中的一种。