一种高强度纯纤维素水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度纯纤维素水凝胶及其制备方法。该水凝胶由天然麻类植物纤维制备而成，其微米级麻纤维纵向排列形成增强骨架，将麻类植物进行部分溶解后的再生纳米纤维，分散在微米级麻纤维周围，形成三维交联网络结构，外观呈半透明，拉伸强度高。本发明专利技术的制备方法为：首先通过化学方法部分去除天然麻纤维的木质素和半纤维素；然后进行溶胀以及部分溶解处理；最后静置处理之后用水置换出化学溶液得到高强度纯纤维素水凝胶。本发明专利技术制备的水凝胶具备高的拉伸强度、良好的化学稳定性，且原料来源丰富、成本低、制备工艺简单，无须添加任何其它物质。任何其它物质。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度纯纤维素水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高强度纯纤维素水凝胶及其制备方法，属于水凝胶材料制备


技术介绍

[0002]水凝胶是一种高度水化的聚合物网络，类似于人体软组织的“软湿”性质，日益受到人们的重视。然而目前水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和吸水速度慢等缺点，极大限制了水凝胶的应用，因此大量的研究致力于改善水凝胶的力学性能，包括双网络水凝胶、物理或化学交联水凝胶和互穿透支架水凝胶。最近，受到具有有序纳米复合结构的生物软组织的启发，研究人员将高度有序或对齐的骨架引入水凝胶中，并期望进一步提高其力学性能。虽然已经提出了五种主要的人工方法，包括磁场定向排列、电场定向排列、应变定向排列、定向冷冻和自组装，以获得水凝胶的定向结构，但利用可持续生物资源的自然结构实现定向骨架仍然存在挑战。
[0003]近年来，从木材中提取的纤维素纳米纤维由于其优异的力学性能，被广泛用作制备强水凝胶的增强剂。然而，这些纳米复合材料的制备过程通常涉及多个步骤，包括利用化学、机械或生物方法对纤维素进行纳米纤维化，以及通过自下而上的方法进行重构。虽然自下而上的方法可以提供精细的材料结构控制，但步骤繁琐且制造工艺成本相对较高，并且制造良率、效率较低。
[0004]另有方法则是通过对木材细胞壁进行脱木质素处理，保留原始整体的细胞形态和排列整齐的结晶纤维素纤维骨架，同时细胞壁孔隙率大大增加。然后将弱而韧的聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶与强而硬的脱木质素的纤维素纤维骨架结合，得到一种强而硬的各向异性木材水凝胶。然而，结晶纤维素非常坚硬，很难为水凝胶提供超柔韧性、高弹性的性能。如何在不添加其它物质的条件下，制备完全由天然纤维构成的绿色环保的高强度、高柔韧性水凝胶一直存在很大困难。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的不足和缺陷，本专利技术的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、无须添加其它成分的高强度纯纤维素水凝胶及其制备方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种高强度纯纤维素水凝胶，该水凝胶由天然麻类植物纤维制备而成，其微米级麻纤维纵向排列形成增强骨架，将麻类植物进行部分溶解后的再生纳米纤维，分散在所述微米级麻纤维周围，形成三维交联网络结构。
[0008]进一步地，所述微米级麻纤维的直径为15
‑
50μm，所述再生纳米纤维的直径为5
‑
60nm。
[0009]进一步地，所述水凝胶的含水率为80
‑
93％，纵向拉伸强度区间为1.8
‑
2.6MPa，拉伸应变为50
‑
69％。
[0010]本专利技术还提供一种高强度纯纤维素水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将麻类植物置于氢氧化钠与亚硫酸钠的混合水溶液中水浴加热，以部分去除木质素和半纤维素；然后用清水清洗以去除残余化学物质；
[0012](2)将步骤(1)所得到的麻纤维置于双氧水中水浴加热，进一步去除木质素；然后用清水清洗并进行冷冻干燥；
[0013](3)将干燥后的麻纤维置于N,N
‑
二甲基乙酰胺与氯化锂的混合溶液中加热处理，使得麻纤维进行溶胀，然后将溶胀后的麻纤维与所述混合溶液在一定温度下静置处理；
[0014](4)将静置处理后的材料再用清水置换出混合溶液，得到高强度纯纤维素水凝胶。
[0015]进一步地，在步骤(1)中，水浴加热的温度为100℃，处理时间为5
‑
15小时。
[0016]进一步地，在步骤(2)中，所述双氧水的浓度为5
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30wt.％，水浴温度为100℃，加热时间为1
‑
6小时。
[0017]进一步地，在步骤(3)中，N,N
‑
二甲基乙酰胺与氯化锂的混合溶液的质量比范围为9:1到13:1之间，加热处理温度为100℃，加热处理时间为0.5
‑
2小时。
[0018]进一步地，在步骤(3)中，溶胀后的麻纤维与所述混合溶液质量比的范围为1:8到1:15，静置时间为12
‑
72小时，静置温度为70
‑
80℃。
[0019]相比于现有技术，本专利技术的优势在于：
[0020](1)纯纤维素水凝胶具有三维交联网络结构，具有优异的拉伸强度，可达2.6MPa，优于大部分现有的水凝胶材料。
[0021](2)以天然麻类植物纤维为原料，其原材料来源广泛，为常见的苎麻、亚麻等纤维，成本低廉。
[0022](3)制备工艺简便，仪器设备简单，生产成本低，可适用于大规模工业化生产。
[0023](4)本专利技术的水凝胶仅由纤维素纤维构成，不含有任何添加物质，可完全生物降解，绿色环保。
附图说明
[0024]图1为本专利技术高强度纯纤维素水凝胶实物图，外观呈半透明。
[0025]图2为实施例1中制备的高强度纯纤维素水凝胶的扫描电镜断面形貌图。
[0026]图3为实施例1中制备的高强度纯纤维素水凝胶微米纤维交错缠结结构电镜图。
[0027]图4为实施例1中制备的高强度纯纤维素水凝胶表层再生纤维电镜图。
[0028]图5为实施例1中制备的高强度纯纤维素水凝胶的应力应变曲线图。
具体实施方式
[0029]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。
[0030]本专利技术提供了一种高强度纯纤维素水凝胶，水凝胶从苎麻、黄麻或亚麻等天然麻类植物中提取的纤维重组而成，水凝胶由直径为15
‑
50μm的微米纤维与溶解再生的直径为5
‑
60nm的纳米纤维构成，由苎麻微米纤维纵向排列形成具有一定取向的增强骨架，部分溶解再生的纳米纤维相互交错缠结，分散在微米纤维周围，形成致密的三维交联网络结构。水
凝胶实物如图1所示。本专利技术制备的纯纤维素水凝胶不含任何其它添加剂，仅通过纤维之间的交联、缠结以及氢键作用结合，且保持超高纵向拉伸强度。本专利技术制备的高强度纯纤维素水凝胶可完全生物降解，环境友好，兼具优越的性能和广阔的使用场景，具备良好的商业前景。
[0031]本专利技术还提供了一种前述高强度纯纤维素水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0032](1)将麻类植物置于氢氧化钠与亚硫酸钠的混合水溶液中水浴加热，以部分去除木质素和半纤维素；然后用清水清洗以去除残余化学物质。
[0033](2)将步骤(1)所得到的部分去除木质素的麻纤维置于双氧水中水浴加热一段时间，进一步去除木质素；然后用清水清洗并进行冷冻干燥。
[0034](3)将步骤(2)所得到的去木质素后的麻纤维置于N,N
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二甲基乙酰胺与氯化锂的混合溶液加热处理一段时间，然后将麻纤维与混合溶液按一定比例于70本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度纯纤维素水凝胶，其特征在于，该水凝胶由天然麻类植物纤维制备而成，其微米级麻纤维纵向排列形成增强骨架，将麻类植物进行部分溶解后的再生纳米纤维，分散在所述微米级麻纤维周围，形成三维交联网络结构。2.根据权利要求1所述的一种高强度纯纤维素水凝胶，其特征在于，所述微米级麻纤维的直径为15
‑
50μm，所述再生纳米纤维的直径为5
‑
60nm。3.根据权利要求1所述的一种高强度纯纤维素水凝胶，其特征在于，所述水凝胶的含水率为80
‑
93％，纵向拉伸强度区间为1.8
‑
2.6MPa，拉伸应变为50
‑
69％。4.一种高强度纯纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将麻类植物置于氢氧化钠与亚硫酸钠的混合水溶液中水浴加热，以部分去除木质素和半纤维素；然后用清水清洗以去除残余化学物质；(2)将步骤(1)所得到的麻纤维置于双氧水中水浴加热，进一步去除木质素；然后用清水清洗并进行冷冻干燥；(3)将干燥后的麻纤维置于N,N
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二甲基乙酰胺与氯化锂的混合溶液中加热处理，使得麻纤维进行溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝名伟，胡建兵，黄大方，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：