一种高强度纤维素纳米晶薄膜及其制备方法

本发明涉及高分子材料，尤其涉及一种高强度纤维素纳米晶薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、纤维素，作为地球上最丰富的生物高分子，具有良好的生物相容性、优异的力学性能和电化学性能。特别是由纤维素酸解后的纤维素纳米晶，由于可以通过蒸发诱导自组装形成bouligand结构，已广泛应用于增强复合材料、催化剂载体、过滤分离等领域。然而，现阶段所制备的纤维素纳米晶薄膜的机械强度通常较差，明显低于天然纤维素材料的机械性能，限制了纤维素纳米晶的实际应用。为了解决这一问题，研究者们尝试了多种方法来提升纤维素纳米晶薄膜的力学性能，如通过仿生矿化策略来提高纤维素纳米晶力学性能；运用定制蛋白与纤维素纳米晶复合，制备rp4/cnc复合薄膜，具有不错的力学性能；通过引入水溶性聚合物wpu，制备了具有较强韧性的纤维素纳米晶薄膜；利用纤维素纳米晶的晶型转换对cnc薄膜的力学性能进行了调节。然而，这些策略所制备的纤维素纳米晶薄膜的力学性能虽有一定提高，但所使用的制备方法制得的薄膜与天然纤维素材料的强度相比，仍有一定差距。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度纤维素纳米晶薄膜及其制备方法。本发明在制备过程中添加了盐，通过削弱一维纤维素纳米晶纳米棒(cnc)间的静电斥力使得cnc在组装成螺旋结构的过程中逐步压缩螺距，cnc螺旋层间紧密堆积，达到增强cnc宏观机械性能的目的。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种高强度纤维素纳米晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：

4、将一维纤维素纳米晶纳米棒、水溶性聚合物、戊二醛、盐和水混合，得到自组装溶液；

5、将所述自组装溶液进行蒸发诱导自组装，得到纤维素纳米晶膜；

6、将所述纤维素纳米晶膜在酸性环境中进行化学交联，得到所述高强度纤维素纳米晶薄膜。

7、优选地，所述盐包括氯化钠、氯化钾、氯化钙、柠檬酸钠和氯化铵中的一种或多种。

8、优选地，所述一维纤维素纳米晶纳米棒与盐的质量比为100:0.5～1.25。

9、优选地，所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇或水溶性聚氨酯。

10、优选地，所述水溶性聚合物与一维纤维素纳米晶纳米棒的质量比为10:90～20:80。

11、优选地，当所述水溶性聚合物为聚乙烯醇时，所述聚乙烯醇与一维纤维素纳米晶纳米棒的质量比为15:85。

12、优选地，所述一维纤维素纳米晶纳米棒的长度为315±42nm，直径为6.2±1.6nm。

13、优选地，所述一维纤维素纳米晶纳米棒与戊二醛的质量比为5:1～5:4。

14、优选地，所述蒸发诱导自组装的湿度为20％～40％rh。

15、本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的高强度纤维素纳米晶薄膜。

16、本发明提供了一种高强度纤维素纳米晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：将一维纤维素纳米晶纳米棒、水溶性聚合物、戊二醛、盐和水混合，得到自组装溶液；将所述自组装溶液进行蒸发诱导自组装，得到纤维素纳米晶膜；将所述纤维素纳米晶膜在酸性环境中进行化学交联，得到所述高强度纤维素纳米晶薄膜。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、本发明使用了蒸发诱导自组装技术，能够实现薄膜中1d纳米棒的螺旋取向排列，充分发挥纳米填料的增强效果；

19、本发明利用盐和cnc上的负电磺酸基团，通过削弱一维纤维素纳米晶纳米棒(cnc)间的静电斥力使得cnc在组装成螺旋结构的过程中逐步压缩螺距，cnc螺旋层间紧密堆积，达到增强cnc宏观机械性能的目的；

20、本发明通过调控纳米棒间距为水溶性聚合物提供了受限空间，改变聚合物链的分子流动性，从而产生与本体聚合物截然不同的成核、晶体取向、结晶率和熔化温度，使受限空间内的水溶性聚合物(聚乙烯醇、聚乙二醇或水溶性聚氨酯)产生界面相结晶，提高其力学性能；通过增强bouligand结构中的次级连接的聚合物相(聚乙烯醇、聚乙二醇或水溶性聚氨酯)，得到了具有高强度的纤维素纳米晶薄膜；

21、本发明在cnc蒸发诱导自组装提供受限空间促使水溶性聚合物规整排列结晶的基础上，通过戊二醛的化学交联，提高纤维素纳米晶薄膜的强度。

技术特征：

1.一种高强度纤维素纳米晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐包括氯化钠、氯化钾、氯化钙、柠檬酸钠和氯化铵中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述一维纤维素纳米晶纳米棒与盐的质量比为100:0.5～1.25。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇或水溶性聚氨酯。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性聚合物与一维纤维素纳米晶纳米棒的质量比为10:90～20:80。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当所述水溶性聚合物为聚乙烯醇时，所述聚乙烯醇与一维纤维素纳米晶纳米棒的质量比为15:85。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一维纤维素纳米晶纳米棒的长度为315±42nm，直径为6.2±1.6nm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一维纤维素纳米晶纳米棒与戊二醛的质量比为5:1～5:4。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述蒸发诱导自组装的湿度为20％～40％rh。

10.权利要求1～9任一项所述制备方法制得的高强度纤维素纳米晶薄膜。

技术总结
本发明提供了一种高强度纤维素纳米晶薄膜及其制备方法，属于高分子材料技术领域。包括以下步骤：将CNC、水溶性聚合物、戊二醛、盐和水混合，得到自组装溶液；将所述自组装溶液进行蒸发诱导自组装，得到纤维素纳米晶膜；将所述纤维素纳米晶膜在酸性环境中进行化学交联，得到所述高强度纤维素纳米晶薄膜。本发明使用了蒸发诱导自组装技术，能够实现薄膜中1D纳米棒的螺旋取向排列，充分发挥纳米填料的增强效果；利用盐和CNC上的负电磺酸基团，通过削弱CNC间的静电斥力使得CNC在组装成螺旋结构的过程中逐步压缩螺距，CNC螺旋层间紧密堆积，达到增强CNC宏观机械性能的目的。

技术研发人员：刘明杰,孔胜文,赵天艺
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15