一种PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法。该方法包括：用纳米纤维素分散PET纤维，得到PET纤维分散体，将PET纤维分散体与纳米纤维素混合，抽滤和热压干燥制备出高强高韧的各向同性纳米纤维素薄膜。该薄膜的结构特点：PET纤维在纳米纤维素内部形成均匀分布的交叉网状骨架，利于薄膜在受力过程中耗散能量，赋予纳米纤维素薄膜高强高韧的特性。该纳米纤维素薄膜的强度为180

【技术实现步骤摘要】
一种PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物高分子材料领域，提出一种PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着石油资源的日益枯竭以及环境污染问题不断加剧，人们对可持续发展以及环境保护愈加重视。可持续生物质材料因其具有绿色、环保、可再生等优良特性，引起了人们的广泛关注和重视。从木材、农林废弃物等生物质材料中提取的纳米纤维素是一种天然的纳米材料，由其制备的纳米纤维素薄膜具有来源丰富、绿色、优异的光学性能和抗张强度等优点，在能源、电子器件等领域展现出广阔而光明的应用前景。纳米纤维素薄膜的广泛使用有望缓解白色污染，助力人类社会的可持续发展。
[0003]然而，由于纳米纤维素的结晶度一般高于60%，高结晶度赋予纳米纤维素薄膜优异的抗张强度的同时也使得薄膜在受到外力作用时能量难以耗散，导致薄膜的韧性不足、耐折性能不佳，这极大地制约了纳米纤维素薄膜的实际应用。针对上述问题，国内外研究工作者主要从以下几方面着手。
[0004]（1）通过优化纳米纤维素的性能来实现对薄膜的增强增韧：通过提高纤维素的聚合度来提高纳米纤维素薄膜的强度和韧性。Henriksson等采用不同聚合度的纳米纤维素制备薄膜，发现当纳米纤维素的聚合度由410提升至1100时，薄膜的韧性由3.0 MJ/m3提升至15.1 MJ/m3，薄膜的韧性的提升主要归因于薄膜的拉伸应变由3.3%提升至10.1%。然而，薄膜的孔隙率提升至28%（Cellulose Nanopaper Structures of High Toughness[J]. Biomacromolecules, 2008, 9(6):1579-1585.）。
[0005]在另一方面也可以通过降低纳米纤维素平均直径来实现纳米纤维素薄膜的增强增韧：Zhu等研究了不同直径的纳米纤维素薄膜的应力应变，发现纳米纤维素直径下降时，纳米纤维素薄膜的强度和伸长率得到提升，实现增强增韧（Zhu H , Zhu S , Jia Z , et al. Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(29):8971-8976.）。
[0006]（2）设计高度有序的结构提高薄膜的强度和韧性：设计高度有序的结构通常可以通过可控的“自下向上”组装合成。例如通过湿拉伸（cold drawing）的方式制备出纳米纤维素薄膜：Sehaqui等将湿的纳米纤维素滤饼进行拉伸到一定的应变（20%-60%）后干燥制得具有取向结构的纳米纤维素薄膜，得到的取向的纳米纤维素薄膜的强度和韧性都得到提升（Sehaqui H , Ezekiel Mushi N , Morimune S , et al. Cellulose Nanofiber Orientation in Nanopaper and Nanocomposites by Cold Drawing[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4(2):1043-1049. ）。
[0007]另一方面，还可直接由天然木材通过“自上向下”的方法制备各向异性的纳米纤维
素薄膜。例如，Zhu等将脱木质素与木材机械压制相结合，制备出高度定向纳米纤维素的强透明薄膜方面取得了进一步进展制得的薄膜的强度高达350 MPa（Zhu M , Wang Y , Zhu S , et al. Anisotropic, Transparent Films with Aligned Cellulose Nanofibers[J]. Advanced Materials, 2017:1606284.）。
[0008]（3）通过与制备复合薄膜来实现增强增韧：一方面可以通过与其它材料复合提高纤维间结合力，改善应力的传递情况：如Galland等通过纳米纤维素与半纤维素复合，半纤维素作为“壳”层粘结剂被强吸附在纳米纤维素表面，改善了纳米纤维素之间的应力传递，使复合薄膜的抗张强度达到了315 MPa，薄膜的韧性得到提升（Galland, S., Berthold, F., Prakobna, K., and Berglund, L. A., 2015,
ꢀ“
HolocelluloseNano
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bers of High Molar Mass and Small Diameter for HighStrengthNanopaper,”Biomacromolecules, 16(8), pp. 2427
–
2435.）。
[0009]另一方面可以通过与其它材料复合进行结构设计，构建新的能量耗散体系，以达到增强增韧的目的：如通过仿生设计提高纳米纤维素薄膜的韧性：通过在纳米纤维素薄膜中添加纳米粘土、MXene等片状材料构筑珍珠层结构：Cao等通过简单的真空抽滤的方法将纳米纤维素和Mxene复合，模拟生物组装成珍珠层结构，以Mxene为“砖”，纳米纤维素为“砂浆”制备出复合薄膜。在纳米纤维素: Mxene=1:1时，CNF薄膜的韧性从3 MJ/m3（纯纳米纤维素膜）提升至14.7MJ/m3，同时，复合薄膜在4.9 N作用下耐折次数由1153次提升至14260次，薄膜脆性大幅下降（Cao W T, Chen F F, Zhu Y J, et al. Binary strengthening and toughening of MXene/cellulose nanofiber composite paper with nacre-inspired structure and superior electromagnetic interference shielding properties[J]. ACS nano, 2018, 12(5): 4583-4593.）。Wang等通过将纳米纤维素、纳米粘土以及聚乙烯醇进行复合构筑人工珍珠层结构，得到的复合薄膜的强度高达302 MPa，该方法得到的薄膜的韧性为3.1 MJ/m3（Wang J , Cheng Q , Lin L , et al. Synergistic Toughening of Bioinspired Poly(vinyl alcohol)
–
Clay
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Nanofibrillar Cellulose Artificial Nacre[J]. ACS Nano, 2014, 8(3):2739-2745.）。
[0010]其中，添加增韧材料是实现纳米纤维素薄膜的强度和韧性同时提升的有效途径。然而，目前的方法还存在着成本高，添加后会进一步增加纳米纤维素薄膜亲水性（如纳米粘土，半纤维素）等问本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）以纳米纤维素为分散体，将纳米纤维素加入到PET纤维的分散体中，借助解离机得到稳定、均匀分散的PET纤维分散体；（2）将步骤（1）所述PET纤维分散体与纳米纤维素混合均匀，真空抽滤，取滤渣，得到复合薄膜，然后热压干燥，得到所述PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜。2.根据权利要求1所述的PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法，其特征在于，步骤（1）所述PET纤维直径为1-10μm，长度为3-5mm。3.根据权利要求2所述的PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素为两亲性的纳米纤维素。4.根据权利要求1所述的PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纳米纤维素的制备包括：木浆纤维经过羧甲基化处理、2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）氧化预处理、磷酸化处理中的任一种化学预处理后，再进行纳米微射流均质机均质处理制备得到的。5.根据权利要求1所述的PET纤维增强增韧的各向同性纳米纤维素薄膜及其制备方法，其特征在于，步骤（1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志强，张德健，侯高远，李冠辉，谢鸿，崔锦怡，张诗曼，孙泽宇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：