一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜及其制备方法和应用

文档序号：644814 发布日期：2021-05-14 浏览：2次 >En<

阅读说明：本技术 一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜及其制备方法和应用 (Cellulose/aramid nano-fiber composite membrane and preparation method and application thereof ) 是由夏光美韩文佳孔凡功贾鹏王晓映徐振沈逍安王婕周绮雯王园缘于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于纳米复合材料领域,特别涉及一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜及其制备方法和应用,包含以下步骤：(1)芳纶纳米纤维的制备；(2)纤维素在离子液体中的溶解；(3)纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的制备。通过本发明提供的方法可以制备疏水性强、热稳定性高、拉伸强度高、紫外屏蔽性好的透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜,与相同条件制备的纯纤维素膜相比,此复合膜的疏水性能、力学性能均有大幅度提高,且具有较好的紫外屏蔽功能,紫外透光率低于5％。这种强度高、紫外屏蔽性能优异的透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜可用于快递、医药、果蔬、肉类等包装领域。(The invention belongs to the field of nano composite materials, and particularly relates to a cellulose/aramid nano fiber composite film, a preparation method and an application thereof, wherein the cellulose/aramid nano fiber composite film comprises the following steps: (1) preparing aramid nano-fibers; (2) dissolving cellulose in the ionic liquid; (3) and (3) preparing the cellulose/aramid nano-fiber composite membrane. The method provided by the invention can be used for preparing the transparent cellulose/aramid nanofiber composite membrane with strong hydrophobicity, high thermal stability, high tensile strength and good ultraviolet shielding property, and compared with a pure cellulose membrane prepared under the same condition, the hydrophobic property and the mechanical property of the composite membrane are greatly improved, and the composite membrane has a better ultraviolet shielding function, and the ultraviolet light transmittance is lower than 5%. The transparent cellulose/aramid nanofiber composite film with high strength and excellent ultraviolet shielding performance can be used in the packaging fields of express delivery, medicine, fruits, vegetables, meat and the like.)

技术领域

本发明属于纳米复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

塑料制品因其性能优越、价格便宜、方便快捷等特点，被广泛用于工业、农业、医药等包装领域，但在自然条件下塑料在很难降解，造成了严重的“白色污染”。2004年，《科学》杂志上发表了关于海洋水体中塑料碎片的论文，首次提出了“微塑料”的概念。与“白色污染”塑料相比，微塑料对环境和生物的危害程度更大。为此世界各国都纷纷出台绿色可降解包装材料等各种环境保护的政策，日前，我国各省份也相继推出“禁塑令”。因此，开发绿色包装材料势在必行。

纤维素是自然界中存储量最丰富的天然高分子材料，具有来源广泛、可再生、可生物降解等优点。其被广泛应用到制备再生纤维素材料（像再生纤维素纤维、再生纤维素膜、再生纤维素海绵等）和纤维素衍生物（像纤维素醚和纤维素酯）等领域。但是纯纤维素膜存在脆性较大、强度较低、耐高温性差、疏水性性能较差等问题，且没有紫外屏蔽功能，一定程度上限制了其应用，可以通过化学或物理方法来提高纤维素膜的性能。

芳纶纤维是一种高性能合成纤维，以密度小、高模量、高强度等多种优异性能被广泛应用，但其疏水强、表面浸润性较差，导致界面结合力弱，影响其与基体间的粘结性能。而芳纶纳米纤维，兼具芳纶纤维和聚合物纳米纤维的优势，可有效解决芳纶纤维表面光滑、活性较低、复合效果不好的问题，常用于制备复合材料，但是目前尚未见到芳纶纳米纤维改性纤维素膜，提高其机械、耐高温、疏水、紫外屏蔽等性能的报道。

同时，很多研究都是采用将芳纶纳米纤维从其氢氧化钾/二甲基亚砜溶液中沉析后再生利用，尚未见到直接将芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜原液与其它物质原位复合的报道，去质子法制备的芳纶纳米纤维沉析后存在干燥过程中易团聚、干燥后不易分散等问题。所以，将芳纶纳米纤维与纤维素进行原位复合制备纤维素/芳纶纳米纤维复合膜用于需要高强度且紫外屏蔽功能的绿色包装领域具有重要意义。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的制备方法，本发明提供了一种制备过程简单、价格低廉、强度高、紫外屏蔽性能优异的透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的制备方法。

本发明的另一发明目的是提供了一种上述制备方法所制备的疏水性强、热稳定较高、强度高、紫外屏蔽性好的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜，其疏水性能和力学性能均高于同种原料的纯纤维素膜，且具有较高的紫外屏蔽功能，紫外透光率低于5％。

本发明的又一发明目的是提供了一种上述透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的应用。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现：

一种纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的制备方法，采用如下步骤：

（1）在二甲基亚砜中加入氢氧化钾和芳纶纤维，搅拌形成芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜溶液；

（2）取纤维素，加入离子液体中，搅拌至均匀透明得含纤维素的液体；

（3）将步骤（2）制备的纤维素溶液与步骤（1）制备的芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜溶液混合，搅拌至溶液均一后脱泡；（4）将步骤（3）脱泡后的溶液倾倒在平板上刮膜，刮膜后放入反溶剂中成型，浸泡至离子液体完全洗净，得到纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶；

（5）将步骤（4）制备的凝胶干燥，去除分散剂，得到纤维素/芳纶纳米纤维复合膜。

优选地，步骤（1）所述的二甲基亚砜、氢氧化钾和芳纶纤维的加入质量比例为：（500~1000）：（1~2）：（1~3）。

优选地，步骤（2）所述纤维素为所有来源的纤维素，并不仅仅局限于微晶纤维素、棉浆、木浆、废弃物提取的纤维素。

优选地，步骤（2）所述的离子液体与纤维素的质量比（90-99）：（10-1）；步骤（2）所述搅拌为将纤维素在80-100℃油浴中恒温机械搅拌，2~4h后均匀透明。

优选地，步骤（3）所述溶液均一中，纤维素与芳纶纳米纤维的质量比为（95-98）：（5-2）。

优选地，步骤（4）所述反溶剂为水、乙醇或丙酮。

优选地，步骤（5）所述的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜是在40~100℃的干燥箱中进行烘干的，干燥时间为1-3h。

上述制备方法所制备的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜，其疏水性能和拉伸性能均高于同种原料的纯纤维素膜，且具有较高的紫外屏蔽功能，紫外透光率低于5％。

上述纤维素/芳纶纳米纤维复合膜的应用，所述纤维素/芳纶纳米纤维复合膜可用于快递、医药、果蔬包装或肉类包装领域。

本发明的步骤（3）所述将步骤（2）制备的纤维素溶液与步骤（1）制备的芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜原液混合中，芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜溶液称为原液，原液直接与纤维素溶液混合称为“原位”复合，芳纶纳米纤维沉析抽滤后再分散复合称为“再生”复合。

本发明有益效果

（1）本发明提供了一种制备过程简单、价格低廉、强度较高、紫外屏蔽性能优异的透明纤维素芳纶纳米纤维复合膜的制备方法。本发明直接将芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜原液与纤维素溶液进行原位复合，不需要将芳纶纳米纤维沉析过滤再分散处理，操作方法更省时省力，同时解决了干燥后芳纶纳米纤维在复合材料集体中不易分散的问题，制备出更加均匀的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜。

（2）通过本发明提供的方法可以制备疏水性较强、热稳定较高、强度高、紫外屏蔽性好的透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜，其疏水性能和拉伸性能均高于同种原料的纯纤维素膜，且具有较高的紫外屏蔽功能，紫外透光率低于5％。这种高强度、高紫外屏蔽性能的透明纤维素/芳纶纳米纤维复合膜可用于快递、医药、果蔬、肉类等包装领域。

附图说明

图1本发明中制备的芳纶纳米纤维的透射电子显微镜（TEM）图；

图2为本发明中纤维素/芳纶纳米纤维复合膜部分分子间氢键作用示意图；其中A为芳纶分子；B为纤维素分子；

图3为本发明中实施案例1制备的纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶和膜的实物图；

图4为本发明中实施案例1制备的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜接触角数据图；图4(左) 为纤维素膜接触角数据CA=46°，图4（右）纤维素膜/芳纶纳米纤维膜CA=63°；

图5为本发明中实施案例1制备的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜应力-应变曲线图；

图6为本发明中实施案例1制备的纤维素/芳纶纳米纤维复合膜透光性能图；

图7中图7（左）为0.02%的沉析抽滤后芳纶纳米纤维的二甲基亚砜分散液（乳白色胶体），图7（右）为0.02%的芳纶纳米纤维/氢氧化钾/二甲基亚砜原液（红黄色溶液）。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进行进一步阐述。应理解，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法，而不用于限定本发明所述的操作和操作范围，由此引申出的变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

以下实施例中的离子液体均为专利名称为一种利用离子液体回收废旧纺织品的方法（为CN 106146877 B）中的所述的离子液体。

实施例1