一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法。所述制备方法为：将细菌纤维素膜机械解离并分散于不溶性溶剂中，通过加入分散剂形成稳定的细菌纤维素纳米纤维悬浮液；采用同步超声过滤方法将细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在多孔纤维基材表面形成湿态复合膜；脱除湿态复合膜中的残留溶剂获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜。所述复合膜的表面为细菌纤维素纳米纤维所形成的完全覆盖的连续二维网状结构。本发明专利技术同时兼具表面完全覆盖的连续二维网状结构和较高的孔隙率。

A small pore and high porosity bacterial cellulose nanofiber composite membrane and its preparation method

The invention discloses a small pore and high porosity bacterial cellulose nanofiber composite film and a preparation method. The preparation method is as follows: the bacterial cellulose membrane mechanical dissociation and dispersed in the insoluble solvent, adding dispersant to form a stable bacterial cellulose nanofiber suspension; using synchronous ultrasound filtering method for bacterial cellulose nanofiber suspension on the surface of Pu porous fiber base material to form wet composite membrane; wet removal the residual solvent in the composite film for small aperture and high porosity of bacterial cellulose nano fiber composite membrane with continuous two-dimensional network structure completely covered the surface of the. The surface of the composite membrane is a fully covered 2-D network structure formed by bacterial cellulose nanofibers. At the same time, the invention also has a continuous two dimensional network structure and a higher porosity with complete surface coverage.

【技术实现步骤摘要】
一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法
本专利技术涉及一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法，属于纳米纤维复合膜材料

技术介绍
纤维膜材料因其原料来源广泛、结构可调性强、集合体连续性好等特点成为目前使用最为广泛的一类材料。但由于纤维膜材料的直径多在微米级别使其存在孔径大的问题，严重限制了其在环境治理、生物医学以及清洁能源等领域应用性能的提升。因此，降低纤维膜孔径成为有效提升其在相关领域应用性能的关键。相比于常规微米级纤维材料，静电纺纤维膜的直径相对较细使其孔径得到一定程度的降低，但由于静电纺纤维直径(＞100nm)难以进一步细化使其孔径也难以进一步降低，仍无法实现在相关领域的实际应用。为制备小孔径纤维膜，专利《纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料的制备方法》(CN101564914)和《一种多组分网状纳米纤维膜的制备方法》(CN103806221A)提出了在中低湿环境中通过静电纺丝技术来制备小孔径的纳米蛛网纤维膜的方法，但由于蛛网覆盖面积有限，难以得到结构连续的二维网状材料，同时蛛网层层紧密堆积导致材料孔隙率低。另有专利《高通量高效率纳米纤维膜及其制备方法》(CN102481527A)、文献[Novelnanofibrousscaffoldsforwaterfiltrationwithbacteriaandvirusremovalcapability[J].JournalofElectronMicroscopy，2011，60(3)：201-209]和[Nanofibrousmicrofiltrationmembranebasedoncellulosenanowhiskers[J].Biomacromolecules，2012，13，180-186]提出利用氧化纤维素纳米晶在静电纺纤维膜表面形成非织造结构层进而减小纤维膜孔径，但该方法仅适用于静电纺纤维基材且由于氧化纤维素纳米晶长度多在1μm以下，直径在5～50nm，易发生团聚，难以在静电纺纤维表面形成均匀连续的非织造结构，而渗入到静电纺纤维膜内部的氧化纤维素纳米晶导致纤维膜的连通孔道被堵塞，纤维膜孔隙率降低。因此亟需一种适用范围广且可有效制备兼具完全覆盖的连续二维网状结构和高孔隙率的小孔径纤维膜的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：提供一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1)：将细菌纤维素膜机械解离并分散于不溶性溶剂中，通过加入分散剂形成稳定的细菌纤维素纳米纤维悬浮液；步骤2)：采用同步超声过滤方法将步骤1)制得的细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在多孔纤维基材表面形成湿态复合膜；步骤3)：脱除步骤2)制得的湿态复合膜中的残留溶剂获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜。优选地，所述步骤1)中机械解离采用高速搅拌解离、超声解离、高压均质解离、高速研磨解离和冷冻研磨解离中的任意一种或几种的组合。优选地，所述步骤1)中不溶性溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和丁酮中的任意一种或几种。优选地，所述步骤1)中分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺、硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、六偏磷酸钠、聚硅酸钠、焦磷酸钾、无水碳酸钠、硫代碳酸钠和硼酸钠中的任意一种或几种。优选地，所述步骤1)中细菌纤维素纳米纤维悬浮液中细菌纤维素纳米纤维的平均长度为1～300μm，平均直径为10～100nm，纤维的质量百分比为0.0005～1wt％。优选地，所述步骤2)中同步超声过滤方法为：在过滤的同时采用超声波处理细菌纤维素纳米纤维悬浮液，超声波输出功率为100～1500W，过滤时施加的压力为正压力或负压力，施加的压力范围为0.5～50kPa。优选地，所述的多孔纤维基材为静电纺纤维膜、非织造布、纤维素滤纸、机织物、针织物中的一种或多种的组合。优选地，所述步骤2)中多孔纤维基材的孔径为1～300μm。优选地，所述步骤3)中脱除的具体方法为：真空干燥、鼓风干燥、超临界干燥、冷冻干燥、微波干燥和红外干燥中的任意一种。本专利技术还提供了一种采用上述小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法制备的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜，其特征在于，所述复合膜的表面为细菌纤维素纳米纤维所形成的完全覆盖的连续二维网状结构，网孔平均孔径为0.01～2μm，复合膜孔隙率为70～98％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：不同于静电纺丝法所制备的纳米蛛网小孔径纤维膜，本专利技术所制备的小孔径纤维膜表面为细菌纤维素纳米纤维所形成的完全覆盖的连续二维网状结构层，有效避免了纳米蛛网覆盖面积有限导致二维网状结构不连续以及蛛网层层紧密堆积导致纤维膜孔隙率低的问题。本专利技术有别于利用氧化纤维素纳米晶进行涂层的方法，所制备的细菌纤维素纳米纤维长度长，可有效避免短小的纳米晶渗入纤维膜内部导致纤维膜孔道连通性下降、孔隙率降低以及表面非织造结构不连续的问题。此外，所采用的同步超声过滤方法可有效调节细菌纤维素纳米纤维二维网状结构层的网孔均匀性。本专利技术所制备的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜同时兼具表面完全覆盖的连续二维网状结构和较高的孔隙率，在环境治理、生物医学以及清洁能源等领域具有广阔的应用前景。本专利技术所提供的方法不受环境条件限制且基材种类广泛，同时制备工艺简单、可操作性强且耗时短。附图说明图1为同步超声过滤装置的示意图；图2为实施例12制得的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的电镜照片；图中：a为细菌纤维素纳米纤维；b为多孔纤维接收基材。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1-15中所采用的同步超声过滤装置如图1所示，在过滤装置4上放置多孔纤维接收基材3，多孔纤维接收基材3上面为细菌纤维素纳米纤维悬浮液1，细菌纤维素纳米纤维悬浮液1周围为超声系统2。实施例1一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法：步骤1：采用高速搅拌解离的方法将细菌纤维素膜机械解离成平均长度为300μm，平均直径为100nm的细菌纤维素纳米纤维并分散在水中，通过加入分散剂烷基酚聚氧乙烯醚形成稳定的细菌纤维素纳米纤维悬浮液；所述悬浮液中细菌纤维素纳米纤维的质量百分比为0.05wt％；步骤2：采用同步超声过滤(如图1所示)方法将上述细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在孔径为300μm的纤维素滤纸表面形成湿态复合膜；所述同步超声过滤过程中所使用的超声输出功率为1000W，过滤时施加的压力为正压力，压力大小为40kPa；步骤3：采用80℃真空干燥30min脱除所述湿态复合膜中的残留水，获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜，所述复合膜中网孔平均孔径为2μm，复合膜孔隙率为80％。实施例2一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法：步骤1：采用超声解离的方法将细菌纤维素膜机械解离成平均长度为200μm，平均直径为80nm的细菌纤维素纳米纤维并分散本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1)：将细菌纤维素膜机械解离并分散于不溶性溶剂中，通过加入分散剂形成稳定的细菌纤维素纳米纤维悬浮液；步骤2)：采用同步超声过滤方法将步骤1)制得的细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在多孔纤维基材表面形成湿态复合膜；步骤3)：脱除步骤2)制得的湿态复合膜中的残留溶剂获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1)：将细菌纤维素膜机械解离并分散于不溶性溶剂中，通过加入分散剂形成稳定的细菌纤维素纳米纤维悬浮液；步骤2)：采用同步超声过滤方法将步骤1)制得的细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在多孔纤维基材表面形成湿态复合膜；步骤3)：脱除步骤2)制得的湿态复合膜中的残留溶剂获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜。2.如权利要求1所述的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中机械解离采用高速搅拌解离、超声解离、高压均质解离、高速研磨解离和冷冻研磨解离中的任意一种或几种的组合。3.如权利要求1所述的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中不溶性溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和丁酮中的任意一种或几种。4.如权利要求1所述的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺、硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、六偏磷酸钠、聚硅酸钠、焦磷酸钾、无水碳酸钠、硫代碳酸钠和硼酸钠中的任意一种或几种。5.如权利要求1所述的小孔径高孔隙率细菌纤维素纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彬，唐宁，张世超，刘丽芳，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31