一种纳米纤维素复合PVA材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米纤维素复合PVA材料，主要由纳米纤维素、聚乙烯醇组成；所述纳米纤维素复合PVA材料中，纳米纤维素的长径比指标控制在(2‑300)：1之间。制备方法包括：(A)将纳米纤维素水溶液进行分散处理，得到分散水溶液；(B)将PVA水溶液、硼酸与分散水溶液混合搅拌，得到混合溶液。本发明专利技术的复合PVA材料中，通过将纳米纤维素与聚乙烯醇合理的混配，而且通过将纳米纤维素控制在适宜的长径比范围内，这样提高了纳米纤维素在PVA材料中的均一性，日后制成纤维等产品时，增加了聚乙烯醇材料本身的功能性，并且提升了聚乙烯醇材料本身的强度、模量、韧性等性能指标，进一步提升纤维本身的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素复合PVA材料及其制备方法、应用
本专利技术涉及聚乙烯醇(PVA)材料加工制备领域，具体而言，涉及一种纳米纤维素复合PVA材料及制备方法、应用。
技术介绍
纤维素是地球上广泛存在且可再生的资源。纳米纤维素，是天然纤维素经过处理(如机械研磨、酸水解、生物酶水解等)后，纤维素中的无定形区及低结晶度的结晶区被破除，而得到的一种纤维素结晶体。由天然纤维素制备的纳米纤维素不但具有纤维素的基本结构与性能，还具有巨大的比表面积、高结晶度(>70％)、高亲水性、高杨氏模量、高强度(7500MPa)、超精细结构和高透明性，良好的生物可降解性与生物相容性以及稳定的化学性能。另外，因纤维素表面裸露出大量羟基、还原性及非还原性末端基，使得纳米微晶纤维素具有巨大的化学改性潜力，促使其在造纸、医药、食品、复合材料等领域的应用研究炙手可热。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性高分子聚合物，其分子式为[C2H4O]n。聚乙烯醇纤维由于有良好的亲水性、抗冲击性和成型加工中易于分散性好等特点，可以作为塑料、水泥以及陶瓷等的增强材料，也可替代有致癌物质的石棉。现有技术中，有关于聚乙烯醇及其相应的改性产品很多，也有关于纳米纤维素及其相关的改性产品，但是一般聚乙烯醇以及其相关的纤维产品拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等性能一般，为了满足当代市场的需求需要进一步提高，并且也不具备其他的优异性能，同样的纳米纤维素及其相关的改性产品只是保持了纳米纤维素本身的基本结构与性能，不能满足现代人对材料本身的多功能性的要求。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种纳米纤维素复合PVA材料，该复合PVA材料中，通过将纳米纤维素与聚乙烯醇合理的混配，而且通过将纳米纤维素控制在适宜的长径比范围内，这样提高了纳米纤维素在PVA材料中的均一性，日后制成纤维等产品时，增加了聚乙烯醇材料本身的功能性，并且提升了聚乙烯醇材料本身的强度、模量、韧性等性能指标，进一步提升纤维本身的力学性能，如此以来进一步扩大了材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，有利于进一步推广应用。本专利技术的第二目的在于提供一种上述纳米纤维素复合PVA材料的制备方法，该制备方法前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，绿色环保，与现有生产工艺设备和流程可实现无缝对接，具有能完整保留原料的有效成份的优点，制得的产品中颗粒分散均匀，性能良好。而且具有方法简单易于操作，操作条件温和，可实现复合PVA材料的工业化生产，经济效益良好。本专利技术的第三目的在于提供采用上述复合PVA材料的应用，该复合材料在纺织行业、建筑行业和运输行业均有很好的应用，应用非常广泛，可广泛应用于各个行业。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种纳米纤维素复合PVA材料，主要由纳米纤维素、聚乙烯醇组成；所述纳米纤维素复合PVA材料中，纳米纤维素的长径比指标控制在(2-300)：1之间；优选地，纳米纤维素的长径比指标控制在(5-200)：1之间，优选为(10-100)：1之间，更优选为(15-80)：1之间；优选地，纳米纤维素的直径控制在50nm以下，优选为在20nm以下，更优选为在10nm以下，最为优选在5nm以下。本专利技术中提供了一种纳米纤维素复合PVA材料，该复合PVA材料中纳米纤维素的长径比需要控制在适宜的比例范围内，适宜的长径比指标可以提高本身复合PVA材料中纳米纤维素的均一性，既避免了大量纳米纤维素团聚情况的发生，且有利于纳米纤维素之间的搭接，给后期制成纤维产品时，带来各方面性能的提升，因此最好将纳米纤维素的长径比指标控制在适宜的范围内。本专利技术所指的复合PVA材料，可以是PVA材料母粒，也可以直接制备成纤维材料，也可以在制备出PVA材料母粒后再制备PVA纤维材料，总之，本专利技术所指的纳米纤维素复合PVA材料是一种统称。当本专利技术所指的复合PVA材料为母粒时，纳米纤维素在PVA母粒中的含量为10wt％以下，优选5-10wt％之间，当然也可以是9wt％，8wt％，7.5wt％，7wt％，6wt％，4wt％，3wt％，2wt％，1wt％。这需要根据母粒下游产品中纳米纤维素含量再进行确定，例如，当制备纳米纤维复合PVA纤维时，需求纳米纤维含量为1wt％，则母粒中纳米纤维素含量原则上要高于纤维中含量，可以是10wt％，也可以是5wt％，甚至可以是3wt％；当制备的纳米纤维复合PVA纤维需求纳米纤维含量为0.1wt％时，则母粒中纳米纤维素含量可以是2wt％，也可以是1wt％。总之，母粒的作用之一是为了方便运输和出售，也是为了更好地加工利用。因此，母粒中功能性材料的含量取决于下游产品对该功能性材料的要求。当复合PVA材料为纤维时，纳米纤维素在PVA纤维中的含量为7wt％以下，优选0.5-5wt％之间，更优选2-5wt％之间，除此之外还可以为6wt％，5.5wt％，4.5wt％，3wt％，1wt％，0.8wt％等。总之，只要得到的纤维材料性能有所提升，分散均匀即可。这里需要注意的是，纳米纤维素在复合PVA材料中的浓度如果过高，纳米纤维素晶体会在聚合物基体中出现团聚，从而致使纳米纤维素分散不均，此外，纳米纤维素与聚合物基体PVA的相容性也会变差，从而使得后续制得的PVA纤维的综合性能下降；如果纳米纤维素含量太低，容易造成复合PVA材料或者其下游产品性能提升不明显。因此纳米纤维素的含量需要控制在适宜的范围内以，这个范围也是专利技术人通过大量的实践经验最终优化出的比较适宜的含量。优选地，该复合PVA材料中，还包含有石墨烯类物质，石墨烯类物质的D90指标最好控制在40μm以下，优选控制在20μm以下，更优D90指标控制在10μm以下，更优选为1-5μm之间，例如还可以为35um，30um，25um，7um等等。这里D90指标控制在40μm以下是指40um以下粒径物质占整体的90％，即这90％里面最大粒径为40um。更进一步的，石墨烯类物质的D90指标最好控制在D10指标的25倍以下，优选10倍以下，更优选为5倍以内，还可以为8倍以内、11倍以内、12倍以内、13倍以内、14倍以内等。控制D90和D10指标，目的是为了尽量保持石墨烯类物质大片结构的同时也提高石墨烯颗粒大小的均一性，而且还要考虑石墨烯类物质的分散问题，防止石墨烯类物质团聚的发生，防止不同粒径(片径)石墨烯类物质带来的应力集中点断裂的问题，因为颗粒度太大、或者太小均不利于与纳米纤维素、PVA形成均一的物质，因此最好将石墨烯类物质的粒度指标控制在适宜的范围内。当复合PVA材料为母粒时，石墨烯类物质在PVA母粒中的含量为10wt％以下，优选5-10wt％；当然也可以是9wt％，8wt％，7.5wt％，7wt％，6wt％，4wt％，3wt％，2wt％，1wt％。这需要根据母粒下游产品中石墨烯类物质含量而定，例如，当制备纳米纤维复合PVA纤维时，需求石墨烯类物质含量为1wt％，则母粒中石墨烯类物质含量原则上要高于纤维中含量，可以是10wt％，也可以是5wt％，甚至可以是3wt％；当制备的纳米纤维复合PVA纤维需求石墨烯类物质含量为0.1wt％时，则母粒中石墨烯类物质含量可以是2wt％，也可以是1wt％。总之，母粒的作用之一是为了方便运输和出售，也是为了更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，主要由纳米纤维素、聚乙烯醇组成；所述纳米纤维素复合PVA材料中，纳米纤维素的长径比指标控制在(2‑300)：1之间；优选地，纳米纤维素的长径比指标控制在(5‑200)：1之间，优选为(10‑100)：1之间，更优选为(15‑80)：1之间；优选地，纳米纤维素的直径控制在50nm以下，优选为在20nm以下，更优选为在10nm以下，最为优选在5nm以下。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，主要由纳米纤维素、聚乙烯醇组成；所述纳米纤维素复合PVA材料中，纳米纤维素的长径比指标控制在(2-300)：1之间；优选地，纳米纤维素的长径比指标控制在(5-200)：1之间，优选为(10-100)：1之间，更优选为(15-80)：1之间；优选地，纳米纤维素的直径控制在50nm以下，优选为在20nm以下，更优选为在10nm以下，最为优选在5nm以下。2.根据权利要求1所述的纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，当纳米纤维素复合PVA材料为母粒材料时，母粒中纳米纤维素的含量在10wt％以下，优选为5-10wt％之间；当纳米纤维素复合PVA材料为纤维材料时，纤维中纳米纤维素的含量在7wt％以下，优选为0.5-5wt％之间，更优选为2-5wt％之间。3.根据权利要求1所述的纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，所述纳米纤维素复合PVA材料中，还包含有石墨烯类物质，石墨烯类物质的D90指标控制在40μm以下；优选地，石墨烯类物质的D90指标控制在20μm以下，优选为10μm以下，更优选为1-5μm之间；优选地，石墨烯类物质的D10指标控制在2um以下；优选地，D90指标控制在D10指标的25倍以下，优选10倍以下，更优选为5倍以下。4.根据权利要求3所述的纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，当纳米纤维素复合PVA材料为母粒材料时，母粒中石墨烯类物质的含量在10wt％以下，优选为5-10wt％之间；当纳米纤维素复合PVA材料为纤维材料时，纤维中石墨烯类物质的含量在5wt％以下，优选为0.25-5wt％之间，更优选为0.5-2wt％之间。5.根据权利要求3或4所述的纳米纤维素复合PVA材料，其特征在于，石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，所述石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯；优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴；所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硅、硼或硅；优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯；其中，所述羟基包括R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R2-COOH，所述R2包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R3-NH3，所述R3包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种。6.权利要求1-5任一项所述的纳米纤维素复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金柱，张安，王文平，刘顶，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37