[发明专利]纤维素纳米晶须有机无机耐热杂化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于杂化材料制备技术领域，特别涉及一种纤维素纳米晶须有机无机耐热杂化材料的制备方法。

背景技术

为了应对当今世界能源，资源，环境等问题，发展绿色，环保，可再生，可降解的材料已成为热点话题。纤维素作为一种地球上最丰富的天然高分子，其就有可循环再生，可降解，生物相容性好，高比强度，价格低廉等优点，已经广泛应用与食品，医药，材料等领域。

纤维素纳米晶须是将天然植物纤维通过酸水解，酶水解等手段获得的具有高长径比，高比表面积，高强度（理论值250Gpa)的植物纤维。但是，由于纤维素的天然特性，其耐热性不高，作为高强度的增强材料来增强聚合物树脂基体的时往往会降低树脂的耐热性能。同时，纤维素纳米晶须在制备过程中，由于酸解作用和结构形貌的改变，其耐热性能还进一步有所降低。如其耐热性从纤维素微晶（粒径为10um左右）耐热温度300℃左右下降到145℃左右。因此，如何提高纤维素纳米晶须的耐热性将是一个丞待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决纤维素纳米晶须耐热性不佳的问题，提供一种纤维素纳米晶须有机无机耐热杂化材料的制备方法。

本方法的目的是为了解决纤维素纳米晶须耐热性不佳的问题，而提出一种通过纤维素纳米晶须与耐热性优良的无机纳米粒子POSS杂化改其耐热性的方法

本发明的思路：

首先采用交联剂对纤维素纳米晶须表面进行处理，形成环氧化纤维素纳米晶须，再将环氧化纤维素纳米晶须与耐热性优良的多面体齐聚倍半硅氧烷（POSS）反应，制备得纤维素纳米晶须有机无机耐热杂化材料。

本发明的具体步骤为：

(1)将纤维素纳米晶须加入到浓度为1摩尔/升的NaOH溶液中，纤维素纳米晶须和浓度为1摩尔/升的NaOH溶液的固液比为1克:335~345毫升，使用间隙超声分散30~60分钟，超声强度为400瓦，时间间隔为6分钟。

(2)将经步骤(1)分散后的溶液移入三口反应容器中，磁力搅拌并升温至58~62℃，30~60分钟后缓慢加入环氧氯丙烷，纤维素纳米晶须和环氧氯丙烷的固液比为1克:5~8毫升，保温反应2小时后用水稀释2~3倍，用透析袋透析除去溶液中的碱和未反应的环氧氯丙烷，最后冷冻干燥即制得环氧化纤维素纳米晶须。

(3)将步骤(2)制得的环氧化纤维素纳米晶须分散到蒸馏水中，环氧化纤维素纳米晶须和蒸馏水的固液比为1克:995~1005毫升，制得环氧化纤维素纳米晶须分散液。

(4)称取POSS-NH₂即八氨丙基齐聚倍半硅氧烷，其质量为步骤(2)制得的环氧化纤维素纳米晶须的质量的9.5~10.5%，加入至100倍质量的蒸馏水中，磁力搅拌溶解并升温度至65~75℃，制得POSS-NH₂溶液。

(5)将步骤(4)制得的POSS-NH₂溶液缓慢滴加到步骤(3)制得的环氧化纤维素纳米晶须分散液中，在65~75℃保温3小时，将反应液冷冻干燥，再将干燥后的产物用无水甲醇分散离心洗涤，超声分散20~60分钟，溶解未反应的POSS-NH₂即八氨丙基齐聚倍半硅氧烷，然后离心分离，重复上述分散离心洗涤过程3~4次，将经分散离心洗涤后的产物用去离子水分散，经分散离心洗涤后的产物和去离子水的固液比为1克:98~102毫升，使用间隙超声分散30~60分钟，超声强度为400瓦，时间间隔为6分钟，再离心去除下层沉淀，取上层浊液冷冻干燥即制得纤维素纳米晶须有机无机耐热杂化材料。

所述纤维素纳米晶须是从木材、竹、纸浆、棉花或剑麻中提取水解制得的纤维素纳米晶须，其直径为3~5纳米，长度为10~100纳米，为针状结构的纳米纤维材料。

所述八氨丙基齐聚倍半硅氧烷是以Si-O-Si形成的八面体为核而八个顶角为有机官能团的有机无机杂化小分子，分子本身的大小为2~4纳米。

所述化学试剂及原料的纯度均为分析纯及以上纯度。

本发明方法的优点：

(1)本发明方法适用于各种天然植物制备的纤维素类粒子（包括纤维素微晶、纤维素微纤、纤维素纳米纤维等）的有机无机耐热杂化材料的制备。

(2)本发明方法中使用的POSS纳米粒子具有很好的分散性，且所带-NH₂与环氧基团具有很好的反应活性，有利于POSS接枝纤维素纳米晶须的反应，与纯的纤维素纳米晶须相比，杂化材料的热性能有明显地提高，解决了目前纤维素纳米晶须作为增强材料时的耐热性不佳的问题。