[发明专利]纳米纤维素/二氧化硅多孔网络结构纤维膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维素/二氧化硅多孔网络结构纤维膜的制备方法，属于纳米功能材料技术领域。

背景技术

有机无机杂化材料是无机材料和有机材料在纳米尺度结合的复合材料，两相间存在强的作用力或形成互穿网络结构，由于其兼具有有机高分子材料和无机材料的性能，可以克服单一的有机或无机材料的局限性，在光学、力学、电学以及电化学等方面呈现出许多新的特性。无机有机杂化材料大致分为两种类型：一是有机分子或聚合物简单包埋于无机基质中，还有一种是有机组分通过化学键嫁接于无机网络中。例如，专利CN1386785A公开了一种均质型纤维素/钛白粉复合微球及其制备方法，是将钛白粉颗粒包埋于再生纤维素骨架的网络结构中，形成一种扩张床吸附基质，用于蛋白质分离纯化。专利CN102030986A公开了一种聚苯并噁嗪树脂/SiO2杂化材料及其制备方法，得到的成品并非纤维膜材料，只适用于制备陶瓷前驱体、高性能复合材料基体、耐烧蚀材料等。

纳米纤维素晶体(Cellulose Nanocrystals)是一种从天然纤维素纤维中分离出来的直径在1～100nm之间的具有颗粒状、棒状(针状)或丝状结构的纳米材料。因具有可再生、高强度、高弹性模量、高比表面积、低成本、可生物降解、纳米级精细尺度等优点而受到广泛的关注。无机二氧化硅纤维的强度较差，给其应用带来了诸多不便，因此，纤维素/无机杂化纤维膜的开发具有极大的潜在应用价值。如何以简单的工艺，制备具有良好均匀尺寸结构的纤维素/无机多孔网状纤维膜，是目前有机无机杂化纤维膜材料制备技术中亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好均匀尺寸结构的纤维素/无机多孔网状纤维膜的制备方法，且制备工艺简单。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纳米纤维素/二氧化硅多孔网络结构纤维膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：在20～80℃水浴温度条件下，将1～20重量份的纤维素纤维粉末浸泡于盛有50～200重量份的质量浓度为8～20％的氢氧化钠溶液搅拌釜中，搅拌转速为100～300rpm，搅拌时间为30～300min；然后水洗至中性，再放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为6～12h，得到碱处理的纤维素纤维粉末；

第二步：在40～80℃水浴温度条件下，将第一步得到的碱处理的纤维素纤维粉末加入到盛有二甲基亚砜的搅拌釜中，纤维素纤维粉末与二甲基亚砜的质量比为1∶20～50，搅拌转速为100～500rpm，搅拌时间为1～6h；然后过滤，用蒸馏水洗脱残留的二甲基亚砜，再放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为6～12h，得到预处理的纤维素纤维粉末；

第三步：在4～65℃水浴温度条件下，将第二步得到的预处理的纤维素纤维粉末加入到盛有TEMPO(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基)催化体系的搅拌釜中，调节pH值至恒定后加入无水乙醇终止反应，得到纤维素纤维悬浮液；

第四步：将第三步得到的纤维素纤维悬浮液置于高速离心机中进行离心，离心速度为1000～5000rpm，离心时间为5～30min，倒去上层清液，重复加蒸馏水、离心、倒去上层清液3～5次，直至悬浮液的pH值至中性，得到纤维素纤维沉淀物；

第五步：取1～10重量份第四步得到的纤维沉淀物加入到100～1000重量份蒸馏水中，于4～20℃水浴中，经过机械处理，得到质量浓度为0.05％纳米纤维素晶体悬浮液；

第六步：将质量浓度为0.05～0.2％的表面活性剂加入到第五步得到的纳米纤维素晶体悬浮液中，以搅拌转速为100～500rpm，搅拌时间为5～30min，均匀搅拌后，得到改性纳米纤维素晶体悬浮液；

第七步：在20～80℃水浴条件下，将10重量份的聚乙烯醇加入到蒸馏水中，搅拌转速为500～1200rpm，搅拌时间为3～10h，均匀混合，得到聚合物质量浓度为10％的聚乙烯醇溶液；

第八步：在室温条件下，将正硅酸乙酯加入到磷酸和水的混合液中，正硅酸乙酯、磷酸、水的摩尔质量比为1∶0.01∶11，搅拌转速为500～1200rpm，搅拌时间为3～10h，均匀混合后，得到二氧化硅水凝胶；

第九步：在室温条件下，将第七步得到的聚乙烯醇溶液与第八步得到的二氧化硅水凝胶以1∶1的比例混合，搅拌转速为500～1200rpm，搅拌时间为3～10h，搅拌均匀后，得到纺丝液；