[发明专利]一种纳米二氧化硅掺杂纳米纤维素材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种纳米二氧化硅掺杂纳米纤维素材料及其制备方法和应用，所述纳米二氧化硅与纳米纤维素材料之间至少存在部分氢键结合；以纳米二氧化硅掺杂纳米纤维素材料的总质量为100％计，所述纳米二氧化硅的质量百分含量为70‑90％。纳米二氧化硅在橡胶中具有较好的分散性，进而可以使与纳米二氧化硅以部分氢键连接的纳米纤维素在橡胶中分散均匀，可以减少硅烷偶联剂等表面活性剂的使用，间接地降低了产品成本的同时降低了产品比重，同时纳米纤维素材料为绿色环保材料，可以缓解传统改性材料对环境造成的压力。

技术领域

本发明属于改性材料技术领域，涉及一种纳米二氧化硅掺杂纳米纤维素材料及其制备方法和应用。

背景技术

纤维素是丰富的天然可再生的生物高分子材料，它广泛分布在高等植物中，除此之外还存在于海洋动物、藻类、细菌、真菌及无脊椎动物中。纤维素经过机械剪切及化学作用，使纤维素纤维横向分解为其子结构纳米单元，产生纳米纤维素(MFC)。由于其具有高模量、可再生、可降解等特点，近年来将其用于橡胶等高分子材料补强成为热点。但纳米纤维素与其他纳米材料一样，具有较强的团聚性，在橡胶等高分子材料中分散性很差，不能发挥其作用，目前暂未有较简单、成本低廉的方法进行填加分散。

纳米二氧化硅是一种无机化工材料，俗称白炭黑。由于是超细纳米级，尺寸范围在1-100nm，因此具有许多独特的性质，如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能，用途非常广泛。纳米级二氧化硅为无定形白色粉末，无毒、无味、无污染，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构，分子式和结构式为SiO₂，不溶于水。纳米二氧化硅的用途分非常广泛，可以应用于以下领域：电子封装材料、树脂复合材料、塑料、涂料、颜(染)料、陶瓷、密封胶、玻璃钢制品、药物载体、化妆品、抗菌材料、橡胶等。在普通橡胶中添加少量纳米SiO₂后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品，而且可以保持颜色长久不变。二氧化硅粉体表面上具有羟基、硅氧烷基，经过研究查明二氧化硅表面具有三种羟基(相邻羟基、隔离羟基、双羟基)，其羟基的活性较强，相邻的羟基以氢键形式彼此结合，它对极性物质具有吸附作用，当加入橡胶等体系时，由于二氧化硅表面游离的活性羟基会对促进剂等极性物质进行吸附，因此在橡胶体系中加入二氧化硅后会对橡胶的硫化产生延迟效果。

CN106519352A公开了一种微晶纤维素-纳米二氧化硅杂化材料、其制备方法和应用，其中，该专利以正硅酸乙酯和偶联剂(Si69)为硅源，采用“微反应器”技术结合“溶胶-凝胶”技术，利用溶胀微晶纤维素表面的羟基，使溶胶-凝胶反应需要的催化剂NaOH被引入到微晶纤维素表面和内部形成微反应器中，再催化溶胶-凝胶反应，使纳米二氧化硅负载在微晶纤维素表面和内部，经过滤、干燥，得到杂化材料，并将其应用于橡胶中，研究其对橡胶性能的影响。该专利采用的原材料是微晶纤维素，属于非纳米材料，其并没有真正解决纳米材料的团聚问题，因而其作为填料制备的改性橡胶会有性能的明显下降；同时，由于二氧化硅吸附配方中的促进剂，延迟硫化时间，因此需要在配方中需要加入大量的硅烷偶联剂进行表面活性处理才能使用，进而提高了产品的成本。CN107892762公开了一种基于废弃竹浆纤维纸与氢化丁腈橡胶复合材料的制备方法，先将废弃竹浆纤维纸高速搅拌粉碎成纸浆后碱解后均质达到纳米级，成为纳米纤维素，用水合肼法氢化改性丁腈胶乳后，加入氧化淀粉进行复合，再与其他助剂进行混合制成氧化淀粉复合氢化丁腈橡胶胶乳，之后将纳米纤维素加入胶乳中，増韧胶乳，使用凝聚法制备出基于废弃竹浆纤维纸与氢化丁腈橡胶复合材，该方法虽然可以提高纳米纤维素的分散性，但是纳米纤维素仍不能完全分散均匀，且过程太过繁琐，增加了橡胶混炼过程中的能耗问题，提高了生产成本。

CN107419599公开了一种羧甲基纤维素改性纳米二氧化硅，有以下原料及其质量份数组成：羧甲基纤维素8-12份，纳米二氧化硅2-3份，苯乙烯钠80-85份、乙酸乙酯20-30份，其制备得到的羧甲基纤维素改性纳米二氧化硅具有较好的性能，可应用于抄造的纸张中，但其并未过多的关注其在其他高分子材料的是否可以作为增强材料以及分散性能问题。