[发明专利]一种基于柔性纳米纸基材料的木质纤维微纤丝解离方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，尤其涉及一种基于柔性纳米纸基材料的木质纤维微纤丝解离方法。

背景技术

天然植物纤维资源丰富、制备的纳米纤维纸材料绿色且对环境友好，可对纤维素分子上游离羟基进行酯化、氧化、醚化、接枝改性，赋予纤维以特殊的性能或功能。纳米纸基材料的高弹性模量、多孔隙结构、低热膨胀系数，以及柔性可卷曲的特点。纳米纤维材料作为超级电容与锂离子电池电极隔膜材料时，与电解液接触面积大、离子脱嵌距离短、在离子脱嵌过程中结构稳定，能有效提高电池的容量和循环寿命。因此，具有柔性特性的纳米纤维在制备可穿戴电子设备、柔性电池及柔性显示器、超级电容器隔膜纸及太阳能电池装置材料等方面潜力巨大，且有着广阔的应用前景。

纳米纤维包括纳米微晶纤维素(NCC)与纳米微细纤维(NFC)，由棉纤维、木材纤维等纤维原料经化学或机械处理得到。NCC为宽度2～50nm、长度在100～2000nm范围内的纤维素结晶体，主要由酸水解法制得，且方法较为成熟。常用的酸有H₂SO₄与HCl，HBr、H₃PO₄也见报道，且不同的酸制备出的NCC性质不同。酸法制备的NCC，反应体系有大量的酸，得到纯的NCC需要消耗大量水及动力资源，并且对反应设备要求高。NFC通常采用盘磨、PFI磨、瓦利打浆等机械处理方法，从纤维中分离出纳米尺寸的纤维，机械处理不仅可以切断纤维，还可以将外层纤维破除，裸露出次生壁内规整的纤维，提高均质化效率。有研究者以TEMPO氧化纤维素，将葡萄糖单元C6位的羟基氧化成羧基，在纤维表面引入带电基团，以提高纤维的溶胀，有助于细胞壁的脱除，并且可以降低纤维间的亲和力，强化微细纤维被剥离，得到羧甲基化的NFC。

最近也有纤维经酸水解预处理后进行均质化处理制备NFC报道，用200ml质量分数为10％的硫酸于60℃处理纤维16h进行均质化处理，得到了更细小的NFC。也有人以纤维素内切酶(Novozymes A/S Denmark)对木浆纤维进行预处理，发现纤维素酶能促进纤维的润胀、更易将NFC从纤维上剥离开，纤维素酶预处理还能降低NFC制备能耗，但这些方法处理对纤维素的降解程度较大，纤维的长度明显降低。以高能量超声波(超声波功率大于1000W时)处理经初步机械处理后纤维，得到的NFC直径在5nm～20nm范围，但因超声波功率有限，处理量少，且能耗极大。

综上所述，纳米纤维制备在得率、成本、尺寸均一性等方面没有取得重大突破，最重要的原因是对植物纤维微观解剖结构特点或纳米纤维特殊性能及用途理解欠缺。物理、信息及光电等研究领域的科技工作者注意力集中在光电器件的研发，而十分熟悉植物纤维微观形态结构与纤维素大分子特点的科研人员，对纳米纤维的具体应用性能要求又缺乏了解，学科间跨度大。因此，柔性纳米纤维新材料的制备基本上没有取得突破性进展，严重阻碍了纳米纤维材料在柔性电子产品中的应用研究与产业化步伐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性纳米纸基材料的木质纤维微纤丝解离方法，旨在利用打浆机快速将纸浆纤维切短、机械锤击、机械搓揉处理组合技术，将植物纤维微纤丝柔性解离成纳米纤维，克服了背景技术中的不足之处，实现柔性纳米纤维高得率与高质量制备。

本发明是这样实现的，一种基于柔性纳米纸基材料的木质纤维微纤丝解离方法，包括以下步骤：

(1)用打浆机将纸浆纤维切断与切短，切短纤维长度控制在500～1000um；

(2)切短的纸浆纤维使用垂直于纤维轴向的锤击力将纤维压溃，直至纤维初生壁与次生壁外层破裂或剥离；

(3)利用平行于纤维轴向的搓揉剪切力解离微纤丝层，得到初步纳米化的纤维微纤丝；

(4)将初步纳米化微纤丝用高剪切力均整处理，获得尺寸均一的柔性纳米纤维。

本发明克服现有技术的不足，提供一种高得率、尺寸均一且可批量制备的木质纤维微纤丝解离方法，相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)纤维切断和切短，极大强化了纤维后续处理时的吸水润胀程度、纤维初生壁与次生壁外层破裂与剥离。

(2)纤维切断和切短，有效控制了纳米纤维长度尺寸范围，避免传统方法长度分布超宽，得率极低结果。

(3)在机械锤击力作用下，被切断和切短后纤维极易被整体压溃、层间位移，水分子可从纤维两端截面纵向渗透进入纤维内部，加快纤维内部层间吸水润胀，破除纤维初生壁和次生壁外层，解除对纤维微纤丝的束缚。