[发明专利]一种聚氨酯接枝的纤维素纳米晶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚氨酯接枝的纤维素纳米晶及其制备方法。该方法主要是将合成的聚氨酯链接枝到纤维素纳米晶表面，使得纤维素纳米晶可以稳定分散于水、有机溶剂中或均匀分散于高分子基体中，且在聚氨酯接枝反应过程中磺酸根被脱除，使得纤维素纳米晶的最大热降解温度提高了20～200℃，有效解决了纤维素纳米晶在有机溶剂和高分子基体中分散性差和在加工过程中耐热性差的问题，具有广泛的应用前景。

【技术领域】

本发明属于纳米材料的制备领域，特别涉及一种亲疏水性可调控的高耐热纤维素纳米晶的制备方法。

【背景技术】

纤维素是自然界中存在量最大的天然生物材料，广泛存在于绿色植物、海洋动物等中，全球每年的产量可达上百亿吨。纤维素的分子链上存在着大量的羟基，可形成分子内及分子间氢键，从而使得纤维素分子链形成高度有序的结晶区及排列疏散的非晶区。通过强酸处理，将天然纤维素中的晶区部分提取出来即可获得纤维素纳米晶(CNC)。纤维素纳米晶具有低密度、高长径比、可反应表面、结晶度高、高杨氏模量、高强度等特点，是一种性能优良的增强剂，因此在制备高性能复合材料领域具有巨大的潜在应用价值。

利用硫酸酸解法制备纤维素纳米晶是目前最常用的CNC制备方法，也是效率较高，最有望实现工业化生产的CNC制备方法；硫酸酸解法在CNC的制备过程中在其表面形成磺酸根基团，由于磺酸根在高于150℃时易发生脱氢反应，使得CNC的耐热性大幅下降；此外，纤维素纳米晶表面带有大量的羟基，具很强的亲水性，使得纤维素纳米晶很难稳定分散于有机溶剂和高分子基体中，这些缺点都限制了其在许多领域中的应用。因此，开发具有高耐热且能在水、有机溶剂或高分子基体中分散的纤维素纳米晶具有重要意义。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的在于提供一种聚氨酯接枝的纤维素纳米晶。

本发明的另一目的在于提供一种聚氨酯接枝的纤维素纳米晶的制备方法。

本发明的另一目的还在于提供一种亲疏水性可调控的高耐热纤维素纳米晶。

本发明的另一目的还在于提供一种亲疏水性可调控的高耐热纤维素纳米晶的制备方法。

本发明的另一目的还在于提供通过调控纤维素纳米晶表面接枝的聚氨酯链的种类，使得纤维素纳米晶可以稳定分散于水、有机溶剂或均匀分散于高分子基体中的方法。

本发明的另一目的还在于提供通过在纤维素纳米晶表面接枝聚氨酯链的过程中脱除纤维素纳米晶表面的磺酸根，来提高纤维素纳米晶耐热性的方法。

[技术方案]

本发明的技术方案是针对硫酸酸解法制备的纤维素纳米晶存在耐热性不足和在有机溶剂或高分子基体中难分散的问题，提供一种提高纤维素纳米晶耐热性和将其稳定分散于水、有机溶剂(如氯仿、二甲基甲酰胺)或均匀分散于高分子基体(如聚乳酸、聚氨酯)中的方法。该方法利用纤维素纳米晶表面富含的大量活性羟基，与异氰酸酯基之间具有较强反应活性的特点，将异氰酸酯基封端的可溶于水、有机溶剂或与高分子基体具有良好相容性的大分子多元醇和二异氰酸酯合成的聚氨酯预聚体接枝到纤维素纳米晶的表面。通过调控纤维素纳米晶表面接枝的聚氨酯链的种类，使得表面接枝了聚氨酯链的纤维素纳米晶可以稳定分散于水、有机溶剂中或均匀分散于高分子基体中；并且在聚氨酯链的接枝过程中发生了磺酸跟的脱除，从而提高了纤维素纳米晶的耐热性。

一种聚氨酯接枝的纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

(1)纤维素纳米晶的溶剂置换：向硫酸酸解法制备的纤维素纳米晶水悬浮液中加入有机溶剂，通过减压蒸馏除去其中的水，得到分散在有机溶剂中的无水纤维素纳米晶悬浮液。