本發(fā)明屬于聚合物透明材料領(lǐng)域，具體涉及一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能、耐熱性和氣體液體阻隔性能、各向異性等，相較于常規(guī)聚合物復(fù)合材料輕得多的質(zhì)量和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其具有極其廣闊的應(yīng)用前景。但在現(xiàn)階段聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料研究中，由于工藝和條件的不成熟，并不能在保持其優(yōu)良特性的情況下使其透明化，極大限制了其在透明材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

中國專利公開號CN 1569953A公開了一種耐熱性高、透明度好、不易變黃的聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料及其制備方法，通過兩次插層，制得新型活性有機(jī)蒙脫土，再與聚甲基丙烯酸甲酯混合制備復(fù)合材料，但該種復(fù)合材料中蒙脫土含量只有0.2-0.8%，樹脂含量過高，因樹脂不易分解，污染環(huán)境，并不符合當(dāng)今綠色環(huán)保的理念。

聚合物/黏土復(fù)合材料中黏土的剝離程度越高，分散性越好，越有利于形成網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其光澤度和透明度。Akira Isogai等人制備了一種超強(qiáng)、高阻氣性的納米纖維素/瓷土層狀復(fù)合材料，通過瓷土、納米纖維素的共混制備，制備過程雖然對瓷土進(jìn)行過機(jī)械處理，但由于處理工藝的限制，并沒有得到完全剝離的瓷土片層結(jié)構(gòu)，瓷土仍保持著層狀的骨架結(jié)構(gòu)，因此所制備的復(fù)合材料的透明性受到了限制。（CN Wu，T Saito，S Fujisawa，H Fukuzumi，A Isogai，et all. Ultrastrong and High Gas-Barrier Nanocellulose/Clay-Layered Composites, 《Biomacromolecules》, 2012, 13(6):1927-32)。

因此，研發(fā)出一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，聚合物/黏土復(fù)合材料制備技術(shù)方案，存在著原料不環(huán)保、生產(chǎn)操作繁瑣、黏土剝離程度低、復(fù)合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法，用于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，制備一種綠色、無毒、低廉、可再生、易降解的聚合物透明納米復(fù)合材料。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。

一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

步驟一：將黏土、納米纖維素A和水混合，攪拌均勻后機(jī)械處理、離心處理，得到黏土剝離液；

步驟二：將黏土剝離液與納米纖維素B、助劑混合，機(jī)械攪拌后，經(jīng)干燥處理，得到所述納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟一中所述黏土為高嶺土、蒙脫土和伊利石中的一種或多種。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟一中所述納米纖維素A為微纖化纖維素、微晶化纖維素和細(xì)菌纖維素中的一種。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟一中，以重量份數(shù)計(jì)，所述黏土為90-95份，納米纖維素A為5-10份；所述黏土、納米纖維素A和水的混合液濃度為1-10mg/mL。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟一中所述機(jī)械處理包括超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)處理、高壓均質(zhì)機(jī)處理或高速分散均勻機(jī)處理，所述機(jī)械處理程度為：處理后單片層黏土的得率占黏土總量的20-50%。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟一中，所述離心處理的速度為4000—6000r/min，離心處理時(shí)間為20-40min；所述黏土剝離液的濃度為0.2-5mg/mL。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟二中所述納米纖維素B為微纖化纖維素、微晶化纖維素和細(xì)菌纖維素中的一種。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟二中所述助劑為樹脂、勻涂劑和表面活性劑中的一種或多種。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟二中，以重量份數(shù)計(jì)，所述納米纖維素B為50-95份，黏土剝離液5-50份，助劑0-10份，所述黏土剝離液、納米纖維素B和助劑的混合液濃度為5-10mg/mL。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟二中所述攪拌的速率為2000-20000r/min，攪拌的時(shí)間為30-60min。

進(jìn)一步優(yōu)化的，步驟二中所述干燥為恒溫恒濕干燥，干燥的溫度為30-70℃，濕度為30-70%RH。

由上述任一項(xiàng)所述制備方法制得的納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法。所述納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料包括如下組分：納米纖維素、黏土、助劑和水。所述制備方法為采用納米纖維素A剝離黏土，將得到的黏土剝離液與納米纖維素混合攪拌，干燥后得到所述納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料。本發(fā)明所制備的聚合物透明納米復(fù)合材料在具有優(yōu)異阻燃性、高強(qiáng)度、高模量、高氣液阻隔性的同時(shí)，還賦予了質(zhì)輕、環(huán)保、透光率高等特性。經(jīng)測試，所制備的透明納米復(fù)合材料厚度為77~83μm，750nm波長下透光率達(dá)到80%以上，有望取代部分傳統(tǒng)透明材料，解決了現(xiàn)有技術(shù)方案原料不綠色環(huán)保、生產(chǎn)操作繁瑣、黏土剝離程度低、復(fù)合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

本發(fā)明技術(shù)方案使用來源豐富、可生物降解、機(jī)械性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高的納米纖維素，利用其兩親特性，在機(jī)械作用下剝離黏土，利用一維納米纖維素和二維片狀納米黏土獨(dú)特的物理化學(xué)特性，制備出一種綠色、無毒、低廉、可再生、易降解的透明納米復(fù)合材料，研究體系潛在適用范圍廣泛，能適用于具有類似納米纖維素材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或物化特性的其他生物基材料，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，有望取代部分傳統(tǒng)透明材料，應(yīng)用于產(chǎn)品包裝、航空航天、汽車工業(yè)、軍工產(chǎn)品、電子電器等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明納米纖維素剝離二維黏土的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更詳細(xì)說明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明提供的一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法，進(jìn)行具體地描述。

下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，聚合物/黏土復(fù)合材料制備方法得到的產(chǎn)品，存在著原料不綠色環(huán)保、生產(chǎn)操作繁瑣、黏土剝離程度低、復(fù)合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

所述制備方法包括如下步驟：

步驟一：將黏土90-95份、納米纖維素A 5-10份和水混合，得到濃度為1-10mg/mL的混合液，攪拌均勻后進(jìn)行機(jī)械處理，處理后單片層黏土的得率占黏土總量的20-50%，在4000—6000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理20-40min，得到濃度為0.2-5mg/mL的黏土剝離液；

步驟二：將納米纖維素B 50-95份，黏土剝離液5-50份和助劑0-10份混合，得到濃度為5-10mg/mL的混合液，在2000-20000r/min下攪拌處理30-60min，在溫度為30-70℃，濕度為30-70%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理得到納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明納米纖維素A剝離二維黏土后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖1可知未處理前黏土為層狀結(jié)構(gòu)，剝離處理后，黏土被剝離為單片結(jié)構(gòu)，加入納米纖維素作為分散劑，利用納米纖維素獨(dú)特的物理化學(xué)特質(zhì)，使得單片黏土保持分離狀態(tài)。

實(shí)施例1

微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料

步驟一：將蒙脫土90份、微纖化纖維素A 10份和水混合，得到濃度為5.5mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經(jīng)過超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)處理，處理后單片層蒙脫土的得率為40%，在5000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理30min，得到濃度為2.2mg/mL的蒙脫土剝離液；

步驟二：將微纖化纖維素90份，蒙脫土剝離液10份混合，得到濃度為7.5mg/mL的混合液，在10000r/min下攪拌處理45min，在溫度為45℃，濕度為45%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理得到微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明所制得的微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料平均厚度為80μm，且在750nm波長下測得的透光率為93%。

實(shí)施例2

細(xì)菌纖維素/高嶺土透明納米復(fù)合材料

步驟一：將高嶺土92份、微纖化纖維素8份和水混合，得到濃度為1.0mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經(jīng)過超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)處理，處理后單片層高嶺土的得率為50%，在6000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理20min，得到濃度為0.5mg/mL的高嶺土剝離液；

步驟二：將細(xì)菌纖維素60份，高嶺土剝離液35份，甘油5份混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，在20000r/min下攪拌處理30min，在溫度為70℃，濕度為70%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理得到細(xì)菌纖維素/高嶺土透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明所制得的細(xì)菌纖維素/高嶺土透明納米復(fù)合材料平均厚度為83μm，且在750nm波長下測得的透光率為85%。

實(shí)施例3

微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復(fù)合材料

步驟一：將高嶺土45份，伊利石45份，微晶化纖維素10份和水混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經(jīng)過高壓均質(zhì)機(jī)處理，處理后單片層高嶺土、伊利石的得率為30%，在5000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理30min，得到濃度為3 mg/mL的高嶺土/伊利石剝離液；

步驟二：將微纖化纖維素為50份，高嶺土/伊利石剝離液50份混合，得到濃度為8mg/mL的混合液，在2000r/min下攪拌處理60min，在溫度為40℃，濕度為60%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理后得到微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明所制得的微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復(fù)合材料平均厚度為82μm，且在750nm波長下測得的透光率為80%。

實(shí)施例4

微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料

步驟一：將蒙脫土95份、細(xì)菌纖維素5份和水混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經(jīng)過高速分散均勻機(jī)處理，處理后單片層蒙脫土的得率為20%，在4000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理40min，得到濃度為4.9mg/mL的蒙脫土剝離液；

步驟二：將微晶化纖維素為95份，蒙脫土剝離液5份混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，在20000r/min下攪拌處理60min，在溫度為30℃，濕度為70%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理得到微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明所制得的微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復(fù)合材料平均厚度為78μm，且在750nm波長下測得的透光率為91%。

實(shí)施例5

微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復(fù)合材料

步驟一：將高嶺土60份，蒙脫土33份，微晶化纖維素7份和水混合，得到濃度為7.5mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經(jīng)過高壓均質(zhì)機(jī)處理，處理后單片層高嶺土、蒙脫土的得率為40%，在5000r/min轉(zhuǎn)速下離心處理30min，得到濃度為3.0mg/mL的高嶺土/蒙脫土剝離液；

步驟二：將微晶化纖維素80份，高嶺石/蒙脫土剝離液10份，氨水3份，聚乙烯醇7份混合，得到濃度為5mg/mL的混合液，在10000r/min下攪拌處理50min，在溫度為55℃，濕度為30%RH環(huán)境下經(jīng)干燥處理后得到微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復(fù)合材料。

本發(fā)明所制得的微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復(fù)合材料平均厚度為77μm，且在750nm波長下測得的透光率為90%。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料及其制備方法，所述聚合物透明納米復(fù)合材料包括如下組分：納米纖維素，黏土，助劑和水，所述制備方法采用納米纖維素在液相機(jī)械處理?xiàng)l件下剝離黏土，經(jīng)離心后獲得充分分散、均勻穩(wěn)定的單片黏土剝離液，再與納米纖維素混合機(jī)械攪拌，經(jīng)干燥得到納米纖維素/黏土透明納米復(fù)合材料材料。本發(fā)明所制備的聚合物透明納米復(fù)合材料在具有優(yōu)異阻燃性、高強(qiáng)度、高模量、高氣液阻隔性的同時(shí)，賦予了其質(zhì)輕、環(huán)保、透光率高等特性。經(jīng)測試，所制備的透明納米復(fù)合材料在77~83μm厚度，750nm波長下透光率達(dá)到80%以上，有望取代部分傳統(tǒng)透明材料，解決了原料不綠色環(huán)保、生產(chǎn)操作繁瑣、黏土剝離程度低、復(fù)合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改性和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。