本發明涉及復合材料技術領域，具體涉及一種納米粒子/纖維復合材料的制備方法。

背景技術：

納米材料是指材料的尺寸一般為1-100nm，是一種介于原子、分子與宏觀物質之間，處于中間狀態的固體材料。納米材料具有量子效應、小尺寸效應、表面效應和分形聚集特性等，從而表現出許多特有性質，可以用于光電磁敏感和催化等領域。大量研究表明無機納米粒子具有透光、增強、耐水、隔熱、防火、殺菌、防霉、自潔等效應，被廣泛運用于材料保護及材料性能改良。如納米ZnO則有很強的紫外線屏蔽作用和紅外線吸收作用，能產生抗老化和抗菌的效果；納米Al₂O₃、SiO₂主要應用于光學單晶及精細陶瓷，有優良的硬度、抗磨性和增韌作用，可大幅度地提高其強度和韌性；納米Ag具有優異的防霉抗菌效果；納米CaCO₃是一種應用廣泛的補強劑，可提高硬度和剛度；納米TiO₂具有強的光催化活性，能起到分解有機污染物、凈化空氣和殺菌自潔的作用。

目前，纖維材料在應用領域上僅限于生產中密度纖維板，生產期間產生的危害，如膠黏劑釋放的甲醛、苯酚等有機物質越來越受到人們的關注，尤其是2008年4月18日美國加利福尼亞州空氣資源委員會(CARB)頒發了降低復合木制品甲醛排放的有毒物質空氣傳播控制措施后，規定不符合CARB認證的復合木制品和含有復合木制品的成品都不能進入美國市場，因此，人們一直致力于研發新型的纖維材料，以生產無膠纖維板產品。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種納米粒子/纖維復合材料的制備方法，以提供具有良好力學性能的纖維材料。

本發明提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法，利用蒸汽爆破法將納米粒子均勻地分布在纖維上，以制備納米粒子/纖維復合材料。

可選地，包括如下步驟：

收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料包括木材、竹材以及相應的加工剩余物，農作物廢棄物和禾本科野草；

將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為1.0-5.0MPa，溫度為100-200℃，保壓1-30min，再將壓力提高到5.0-10.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子包括TiO₂、ZnO、Ag、SiO₂、Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃、Mg(OH)₂、Al(OH)₃、石墨烯、碳纖維以及碳納米管，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.05％-20％；

將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至5％-16％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

可選地，所述農作物廢棄物包括稻草、麥草、玉米秸稈、棉花桿和甘蔗渣，所述禾本科野草包括蘆葦和芒桿。

可選地，在爆破之前，采用H₃PO₄、HCl、H₂SO₄和NaOH中的任意一種以調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。

本發明還提供了一種納米物質/生物質纖維復合材料，根據所述的制備方法制備得到。

由上述技術方案可知，本發明提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法，利用蒸汽爆破法將納米粒子均勻地分布在纖維上，以制備納米粒子/纖維復合材料。本發明的制備方法，工序簡單，成本低，能耗低，生產效率高，適合工業化生產。本發明的制備方法所制備的納米粒子/纖維復合材料在無膠纖維板生產領域中具有廣闊的應用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1示出了本發明實施例所提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法的流程圖；

圖2是本發明實施例1的制備方法所制備的TiO₂納米粒子/纖維復合材料的掃描電子顯微鏡圖；

圖3是本發明實施例1的制備方法所制備的TiO₂納米粒子/纖維復合材料的X射線衍射圖；

圖4是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的掃描電子顯微鏡圖；

圖5是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的X射線衍射圖；

圖6是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的反射損耗頻率的變化曲線；

圖7是本發明實施例5的制備方法所制備的Fe₃O₄納米粒子/纖維復合材料的磁滯回線。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域技術人員所理解的通常意義。

本發明提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法，利用蒸汽爆破法將納米粒子均勻地分布在纖維上，以制備納米粒子/纖維復合材料。

圖1示出了本發明實施例所提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法的流程圖。參見圖1，所述制備方法包括如下步驟：

步驟S1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料包括木材、竹材以及相應的加工剩余物，農作物廢棄物和禾本科野草，所述農作物廢棄物包括稻草、麥草、玉米秸稈、棉花桿和甘蔗渣，所述禾本科野草包括蘆葦和芒桿；

步驟S2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為1.0-5.0MPa，溫度為100-200℃，保壓1-30min，再將壓力提高到5.0-10.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子包括TiO₂、ZnO、Ag、SiO₂、Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃、Mg(OH)₂、Al(OH)₃、石墨烯、碳纖維以及碳納米管，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.05％-20％；

步驟S3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至5％-16％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

其中，在爆破之前，采用H₃PO₄、HCl、H₂SO₄和NaOH中的任意一種以調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值在1～14范圍內。這樣可以增加纖維表面活性，提高其與納米粒子的復合效率。

本發明提供的納米粒子/纖維復合材料的制備方法，利用蒸汽爆破法將納米粒子均勻地分布在纖維上，以制備納米粒子/纖維復合材料。本發明的制備方法，工序簡單，成本低，能耗低，生產效率高，適合工業化生產。本發明的制備方法所制備的納米粒子/纖維復合材料在無膠纖維板生產領域中具有廣闊的應用前景。

纖維材料是生產無膠纖維板必不可少的一類物質，現有的生產無膠纖維板的纖維處理方式比較單一，即在蒸煮缸內爆破處理得到性能單一的纖維材料。

纖維作為一種天然有機高分子材料與無機納米材料進行有機復合不僅應具有納米材料的小尺寸效應、量子尺寸效應和表面效應，而且還應將無機物的剛性、尺寸穩定性和耐高溫高熱性與木纖維的韌性、宜加工、強重比高及獨特的環境學特征有機融合在一起，從而產生很多新的特殊性能，如超疏水、自清潔性、自殺菌性和自降解有機物等性能。

本發明將納米材料與纖維復合，將納米材料的優異性質賦予新的復合材料，不僅能有效地改善和提高復合材料的性能，如防腐、阻燃、尺寸穩定性、耐磨，確保其使用的可靠性和安全性，延長使用壽命，節約資源和能源，減少環境污染；而且還可賦予復合材料新的性能，如抗菌、自清潔、自降解、有機物等，因而可以制備出新型高附加值的功能性無膠纖維板，大力推動無膠纖維板產業的發展。

現有的纖維板是通過添加膠黏劑使得普通纖維鏈接起來并經過壓制而形成的，而采用本發明的制備方法所獲得的納米粒子/纖維復合材料在前期的蒸煮或爆破過程中，即產生自身鏈接，后期只需進行熱壓步驟即可生產無膠纖維板。

下面針對本發明的納米粒子/纖維復合材料的制備方法，提供了以下多個實施例。

實施例1

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為木材及其加工剩余物；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為1.0MPa，溫度為100℃，保壓1min，再將壓力提高到5.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為TiO₂，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.05％，其中，在爆破之前，采用H₃PO₄調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為1。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至5％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

圖2是本發明實施例1的制備方法所制備的TiO₂納米粒子/纖維復合材料的掃描電子顯微鏡圖。參見圖2，可以觀察到纖維上負載了大量無機納米粒子，即為TiO₂納米粒子。

圖3是本發明實施例1的制備方法所制備的TiO₂納米粒子/纖維復合材料的X射線衍射圖。參見圖3，可以觀察到TiO₂納米粒子已成功負載在纖維表面。

實施例2

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為竹材及其加工剩余物；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為1.5MPa，溫度為110℃，保壓3min，再將壓力提高到5.5MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為ZnO，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.1％，其中，在爆破之前，采用HCl調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為2。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至6％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

圖4是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的掃描電子顯微鏡圖。參見圖4，可以觀察到纖維上負載了大量無機納米粒子，即為ZnO納米粒子。

圖5是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的X射線衍射圖。參見圖5，可以觀察到ZnO納米粒子已成功負載在纖維表面。

圖6是本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料的反射損耗頻率的變化曲線。參見圖6，將本發明實施例2的制備方法所制備的ZnO納米粒子/纖維復合材料取其他參數相同、僅厚度不同的四個樣品，其厚度分別為2mm、2.5mm、3mm和3.5mm，進行樣品的反射損耗和頻率之間的測試。從圖6中可以看出，在一定的頻率范圍內，樣品的吸收效果伴隨材料厚度的增加而增加。當樣品厚度為2mm時，在16.4GHz左右最大衰減值為-4.8dB；當樣品厚度為2.5mm時，在16.2GHz左右最大衰減值為-6.9dB；當樣品厚度為3mm時，在16.8GHz左右最大衰減值為-8dB；當樣品厚度為3.5mm時，在16.8GHz左右最大衰減值為-9.2dB。從圖6中可以看出，復合材料成功集成了ZnO的吸波性，這也就說明，ZnO納米粒子/纖維復合材料具有很好的吸波性。

實施例3

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為農作物廢棄物，具體為稻草；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為2.0MPa，溫度為120℃，保壓5min，再將壓力提高到6.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為Ag，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.2％，其中，在爆破之前，采用H₂SO₄調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為3。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至7％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例4

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為農作物廢棄物，具體為麥草；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為2.5MPa，溫度為130℃，保壓7min，再將壓力提高到6.5MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為SiO₂，所述納米粒子占所述原料絕干重量的0.5％，其中，在爆破之前，采用H₃PO₄以調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為4。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至8％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例5

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為農作物廢棄物，具體為玉米秸稈；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為3.0MPa，溫度為140℃，保壓10min，再將壓力提高到7.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為Fe₃O₄，所述納米粒子占所述原料絕干重量的1％，其中，在爆破之前，采用HCl調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為5。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至9％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

圖7是本發明實施例5的制備方法所制備的Fe₃O₄納米粒子/纖維復合材料的磁滯回線。其中，橫坐標為磁場(Oe)，縱坐標為飽和磁化強度(emu/g)。將本發明實施例5的制備方法所制備出的Fe₃O₄納米粒子/纖維復合材料取濃度不同的三個樣品，在室溫下經振動樣品磁強計檢測，其具體曲線參見圖7，樣品的飽和磁場強度隨著樣品的濃度而變化。

當樣品濃度為30wt.％時，其飽和磁場強度為19.2emu/g；當樣品濃度為35wt.％時，其飽和磁場強度為25.9emu/g；當樣品濃度為40wt.％時，其飽和磁場強度為30.7emu/g。從圖7中可以看出，復合材料成功繼承了Fe₃O₄的磁性，并且隨著濃度的增加，其飽和磁場強度也隨之增加，這也就說明，Fe₃O₄納米粒子/纖維復合材料具有極好的磁性。

實施例6

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為農作物廢棄物，具體為棉花桿；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為3.5MPa，溫度為150℃，保壓15min，再將壓力提高到7.5MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為CaCO₃，所述納米粒子占所述原料絕干重量的4％，其中，在爆破之前，采用H₂SO₄調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為6。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至10％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例7

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為農作物廢棄物，具體為甘蔗渣；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為4.0MPa，溫度為160℃，保壓20min，再將壓力提高到8.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為Al₂O₃，所述納米粒子占所述原料絕干重量的5％，其中，在爆破之前，采用H₃PO₄調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值，所述pH值為7。

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至11％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例8

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為禾本科野草，具體為蘆葦；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為4.5MPa，溫度為170℃，保壓25min，再將壓力提高到8.5MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為Mg(OH)₂，所述納米粒子占所述原料絕干重量的8％，其中，在爆破之前，采用NaOH調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值為8；

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至12％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例9

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料為禾本科野草，具體為芒桿；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為5.0MPa，溫度為180℃，保壓28min，再將壓力提高到9.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為Al(OH)₃，所述納米粒子占所述原料絕干重量的10％，其中，在爆破之前，采用NaOH調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值為9；

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至13％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例10

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料包括木材、竹材以及相應的加工剩余物；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為5.0MPa，溫度為200℃，保壓30min，再將壓力提高到10.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為石墨烯，所述納米粒子占所述原料絕干重量的12％，其中，在爆破之前，采用NaOH調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值為10；

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至14％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例11

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料包括木材、竹材以及相應的加工剩余物；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為5.0MPa，溫度為200℃，保壓30min，再將壓力提高到10.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為碳纖維，所述納米粒子占所述原料絕干重量的15％，其中，在爆破之前，采用NaOH調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值在為11；

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至15％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

實施例12

1、收集原料，并依據原料形態的不同，進行裁短或切片處理，然后進行干燥以使得所述原料的含水率小于10％，其中，所述原料包括木材、竹材以及相應的加工剩余物；

2、將納米粒子與所述原料進行混合并裝入蒸煮罐中，進行蒸氣爆破處理，獲得蒸爆漿料，其中，所述蒸煮罐的蒸汽壓力為5.0MPa，溫度為200℃，保壓30min，再將壓力提高到10.0MPa后，突然卸壓進行爆破，所述納米粒子為碳納米管，所述納米粒子占所述原料絕干重量的20％，其中，在爆破之前，采用NaOH調節所述納米粒子與所述原料的混合物的pH值。所述pH值為14；

3、將所述蒸爆漿料進行氣流干燥，使其含水率降至16％，獲得所述的納米粒子/纖維復合材料。

本發明所獲得的納米粒子/纖維復合材料在不降低其力學性能的情況下，可以大力推動無膠纖維板的發展。

除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的數值并不限制本發明的范圍。在這里示出和描述的所有示例中，除非另有規定，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制，因此，示例性實施例的其他示例可以具有不同的值。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。