[发明专利]一种高强度纳米纤维基材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高强度纳米纤维基材料及其制备方法与应用。该方法包括以下步骤：(1)纳米纤维的制备：以纸浆纤维为原料，先进行TEMPO氧化预处理，再进行高压均质处理，得到纳米纤维；(2)成型液的制备：将步骤(1)中得到的纳米纤维加水稀释，得到纳米纤维悬浮液，然后加入熟化淀粉和聚丙烯酰胺，搅拌均匀，得到成型液；(3)固化成型：将步骤(2)中得到的成型液置于成型装置中进行干燥和熟化，得到高强度纳米纤维基材料。本发明中主要原料为植物纤维，绿色环保，可以完全降解，并不对环境造成污染，制得的材料具有高强度和高模量，可以应用在防护器材、特种器件和建筑材料等领域。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，特别涉及一种高强度纳米纤维基材料及其制备方法与应用。

背景技术

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，一般情况下不溶于水及常规有机溶剂。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50％以上，也是植物细胞壁的主要成分。天然纤维素在物理形态和化学性能存在诸多缺陷，如强度低、热解性能差、不耐腐蚀等。纳米纤维是指纤维在三维空间上有一个维度达到1～100nm的尺寸即为纳米纤维。纳米纤维具有独特的物理、化学性质，如尺寸小、比表面积大和结晶度高等，在造纸、食品、化妆品、电子器件和生物医学领域具有巨大的潜在应用价值。

纤维基的高性能材料广泛应用于包括航空航天、生物医学、防护服装、工程建筑和电子科技等领域。这些纤维直径在几十到几百微米，通常是由聚合物、凝胶纺丝纤维，改性碳纤维、碳纳米管纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维和合成。纤维素纳米纤维是绿色可循环使用的材料，将成为未来材料行业的发展趋势。纳米纤维多用作添加剂用于材料的增强，但是纳米纤维作为基材制备高强度材料鲜有报道。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高强度纳米纤维基材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的高强度纳米纤维基材料，该材料具有良好的机械性能。

本发明的再一目的在于提供所述高强度纳米纤维基材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高强度纳米纤维基材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米纤维的制备：以纸浆纤维为原料，先进行TEMPO氧化预处理，再进行高压均质处理，得到纳米纤维；

(2)成型液的制备：将步骤(1)中得到的纳米纤维加水稀释，得到纳米纤维悬浮液，然后加入熟化淀粉和聚丙烯酰胺，搅拌均匀，得到成型液；

(3)固化成型：将步骤(2)中得到的成型液置于成型装置中进行干燥和熟化，得到高强度纳米纤维基材料。

步骤(1)中所述的纸浆纤维优选为马尾松纸浆纤维；更优选为山东道欣新材料有限公司的马尾松纸浆纤维。

步骤(1)中所述的TEMPO氧化预处理优选为通过如下步骤实现：向纸浆纤维中添加NaBr、TEMPO和NaClO，调pH至10.0～10.3，搅拌进行反应；其中，纸浆纤维(以绝干量计算)、NaBr、TEMPO和NaClO的质量比为1：0.1～0.15：0.01～0.015：0.6～0.75。

所述的搅拌的速率为500r/min。

所述的反应的时间为1～1.5h。

所述的TEMPO氧化预处理过程中纸浆纤维的浆料浓度为1.5～2wt％；优选为2wt％。

步骤(1)中所述的高压均质处理的条件为：在20000～30000psi压力下处理5～10次；优选为：在20000psi压力下处理5次。

步骤(2)中所述的纳米纤维悬浮液中纳米纤维的质量分数为1～10％；优选为4％。