一种改性纳米纤维素及其制备方法和应用

本发明涉及纳米纤维素改性的。更具体地，涉及一种改性纳米纤维素及其制备方法和应用。

背景技术：

1、纳米纤维素在储存和运输过程中，或是从分散液制备成宏观材料时，纤维与纤维之间强大的氢键相互作用会使纳米纤维素容易团聚，导致分散液分散不均，进而造成材料内部分布不均，影响材料性能。

2、为提高纳米纤维素的分散稳定性，目前最常用的方法是通过化学改性对纤维素的羟基进行修饰。化学反应通常会对纤维素的氢键网络造成较大破坏，影响纤维素的晶体结构、使其热稳定性下降。此外，化学反应过程常使用大量有机溶剂或多种化学试剂，不仅会污染环境，而且得到的纳米纤维素产品也不适宜用于食品包装材料。

3、以水作为分散体系，通过机械物理法制备纳米纤维素，操作简便高效，不使用有机试剂溶剂、绿色无毒，并且该过程不涉及化学反应、能够保留纤维素原有化学及结晶结构。然而，使用普通机械物理法制备的纳米纤维素，纤维与纤维间因氢键相互作用容易团聚，导致所制备的纳米纤维素分散稳定性差，制成材料之后，也容易因为材料内部分布不均而导致强度低、易破裂等问题。

4、因此，如何能更好的提高纳米纤维素的分散稳定性，以及提高包含其的复合材料强度，具有重要意义。

技术实现思路

1、基于以上事实，为了更好的提高纳米纤维素的分散稳定性、提高包含其的复合材料强度，本发明提供了一种改性纳米纤维素及其制备方法和应用。

2、一方面，本发明提供一种改性纳米纤维素，所述改性纳米纤维素为经稀土进行表面改性的纳米纤维素。

3、进一步地，所述改性纳米纤维素中，稀土离子与纳米纤维素羟基上的氧原子之间配位络合。

4、进一步地，所述稀土的用量为纳米纤维素质量的0.01～1wt％。

5、进一步地，所述改性纳米纤维素长1-10μm，宽2-15nm。

6、进一步地，所述稀土选自y、ce、gd或pr中的一种或几种。

7、又一方面，本发明提供一种如上所述的改性纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：

8、将稀土元素的可溶性盐的水溶液与纤维素原料混合，在水存在的条件下，采用物理机械法对纤维素原料进行纳米化，得所述改性纳米纤维素。

9、此制备方法中，在实现纤维素纳米化的同时，通过稀土离子与纤维素羟基上的氧原子之间配位络合，削弱纳米纤维素纤维间的氢键相互作用，从而改善了纳米纤维素的分散稳定性，使其不易团聚、聚沉。

10、进一步地，所述稀土元素的可溶性盐为稀土元素的氯盐。

11、进一步地，所述稀土元素的可溶性盐的水溶液中，稀土元素的可溶性盐的浓度为1wt％。

12、进一步地，所述纤维素原料选自微晶纤维素、长棉纤维、玉米芯纤维素中的一种。

13、进一步地，所述物理机械法选自球磨、砂磨、盘磨和高压均质中的一种。

14、进一步地，所述纤维素原料的用量为物料总量的4-5wt％。此处的物料包括稀土元素的可溶性盐的水溶液与纤维素原料与水的总和。

15、又一方面，本发明提供一种纳米纤维素分散液，所述纳米纤维素分散液中，分散质为如上所述的改性纳米纤维素，分散介质为水。

16、又一方面，本发明提供如上所述的改性纳米纤维素在造纸、制备薄膜或制备增强的聚合物复合材料中的应用。

17、进一步地，将所述改性纳米纤维素与纸浆混合，制备得到纸张。

18、优选地，所述改性纳米纤维素与纸浆的质量比为1:2-1:1。适用于本技术方案的纸浆为常规纸浆，在此无特殊要求。

19、进一步地，将所述改性纳米纤维素与聚合物混合，成型，制备得到聚合物复合材料。

20、优选地，所述改性纳米纤维素的用量为聚合物用量的5-10wt％。

21、优选地，所述聚合物选自聚烯烃或聚酯。

22、进一步地，将所述改性纳米纤维素抽滤干燥，得到所述薄膜。

23、本发明的有益效果如下：

24、本发明中提供的改性纳米纤维素中通过对纳米纤维素进行特定改性，改变了纳米纤维素的氢键网络结构，使得改性后的纳米纤维素具有很好的分散稳定性，尤其是很好的水分散稳定性。同时，还赋予用其制成的薄膜或包含其的复合材料好的强度。将该改性纳米纤维素用于造纸、制备薄膜或制备增强的聚合物复合材料中会赋予得到的材料更高的强度。

技术特征：

1.一种改性纳米纤维素，其特征在于，所述改性纳米纤维素为经稀土进行表面改性的纳米纤维素。

2.根据权利要求1所述的改性纳米纤维素，其特征在于，所述改性纳米纤维素中，稀土离子与纳米纤维素羟基上的氧原子之间配位络合。

3.根据权利要求1所述的改性纳米纤维素，其特征在于，所述稀土的用量为纳米纤维素质量的0.01～1wt％；

4.如权利要求1-3任一项所述的改性纳米纤维素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述稀土元素的可溶性盐为稀土元素的氯盐；和/或

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述物理机械法选自球磨、砂磨、盘磨和高压均质中的一种。

7.一种纳米纤维素分散液，其特征在于，所述纳米纤维素分散液中，分散质为如权利要求1-3任一项所述的改性纳米纤维素，分散介质为水。

8.如权利要求1-3任一项所述的改性纳米纤维素在造纸、制备薄膜或制备增强的聚合物复合材料中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将所述改性纳米纤维素与纸浆混合，制备得到纸张；和/或

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述聚合物选自聚烯烃或聚酯。

技术总结
本发明公开一种改性纳米纤维素，所述改性纳米纤维素为经稀土进行表面改性的纳米纤维素。该改性纳米纤维素具有高的分散稳定性，用其制成的薄膜、包含其的复合材料具有高的强度，本发明还公开了该改性纳米纤维素的制备方法和应用。

技术研发人员：黄勇,娄硕,吴敏
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15