一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，通過用打漿機(jī)將紙漿纖維切斷與切短，切短纖維長(zhǎng)度控制在500～1000um；將切短的紙漿纖維使用垂直于纖維軸向的錘擊力將纖維壓潰，直至纖維初生壁與次生壁外層破裂或剝離；然后利用平行于纖維軸向的搓揉剪切力解離微纖絲層，得到初步納米化的纖維微纖絲；最后將初步納米化微纖絲用高剪切力均整處理，獲得尺寸均一的柔性納米纖維。本發(fā)明產(chǎn)品得率高、尺寸均一且可批量制備。
【專利說明】一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然植物纖維資源豐富、制備的納米纖維紙材料綠色且對(duì)環(huán)境友好，可對(duì)纖維素分子上游離羥基進(jìn)行酯化、氧化、醚化、接枝改性，賦予纖維以特殊的性能或功能。納米紙基材料的高彈性模量、多孔隙結(jié)構(gòu)、低熱膨脹系數(shù)，以及柔性可卷曲的特點(diǎn)。納米纖維材料作為超級(jí)電容與鋰離子電池電極隔膜材料時(shí)，與電解液接觸面積大、離子脫嵌距離短、在離子脫嵌過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能有效提高電池的容量和循環(huán)壽命。因此，具有柔性特性的納米纖維在制備可穿戴電子設(shè)備、柔性電池及柔性顯示器、超級(jí)電容器隔膜紙及太陽能電池裝置材料等方面潛力巨大，且有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]納米纖維包括納米微晶纖維素(NCC)與納米微細(xì)纖維(NFC)，由棉纖維、木材纖維等纖維原料經(jīng)化學(xué)或機(jī)械處理得到。NCC為寬度2?50nm、長(zhǎng)度在100?2000nm范圍內(nèi)的纖維素結(jié)晶體，主要由酸水解法制得，且方法較為成熟。常用的酸有H2SO4與HCl，HBinH3PO4也見報(bào)道，且不同的酸制備出的NCC性質(zhì)不同。酸法制備的NCC，反應(yīng)體系有大量的酸，得到純的NCC需要消耗大量水及動(dòng)力資源，并且對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求高。NFC通常采用盤磨、PFI磨、瓦利打漿等機(jī)械處理方法，從纖維中分離出納米尺寸的纖維，機(jī)械處理不僅可以切斷纖維，還可以將外層纖維破除，裸露出次生壁內(nèi)規(guī)整的纖維，提高均質(zhì)化效率。有研究者以TEMPO氧化纖維素，將葡萄糖單元C6位的羥基氧化成羧基，在纖維表面引入帶電基團(tuán)，以提高纖維的溶脹，有助于細(xì)胞壁的脫除，并且可以降低纖維間的親和力，強(qiáng)化微細(xì)纖維被剝離，得到羧甲基化的NFC。
[0004]最近也有纖維經(jīng)酸水解預(yù)處理后進(jìn)行均質(zhì)化處理制備NFC報(bào)道，用200ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硫酸于60°C處理纖維16h進(jìn)行均質(zhì)化處理，得到了更細(xì)小的NFC。也有人以纖維素內(nèi)切酶(Novozymes A/S Denmark)對(duì)木衆(zhòng)纖維進(jìn)行預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)纖維素酶能促進(jìn)纖維的潤脹、更易將NFC從纖維上剝離開，纖維素酶預(yù)處理還能降低NFC制備能耗，但這些方法處理對(duì)纖維素的降解程度較大，纖維的長(zhǎng)度明顯降低。以高能量超聲波(超聲波功率大于IOOOff時(shí))處理經(jīng)初步機(jī)械處理后纖維，得到的NFC直徑在5nm?20nm范圍，但因超聲波功率有限，處理量少，且能耗極大。
[0005]綜上所述，納米纖維制備在得率、成本、尺寸均一性等方面沒有取得重大突破，最重要的原因是對(duì)植物纖維微觀解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或納米纖維特殊性能及用途理解欠缺。物理、信息及光電等研究領(lǐng)域的科技工作者注意力集中在光電器件的研發(fā)，而十分熟悉植物纖維微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)與纖維素大分子特點(diǎn)的科研人員，對(duì)納米纖維的具體應(yīng)用性能要求又缺乏了解，學(xué)科間跨度大。因此，柔性納米纖維新材料的制備基本上沒有取得突破性進(jìn)展，嚴(yán)重阻礙了納米纖維材料在柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)化步伐。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，旨在利用打漿機(jī)快速將紙漿纖維切短、機(jī)械錘擊、機(jī)械搓揉處理組合技術(shù)，將植物纖維微纖絲柔性解離成納米纖維，克服了【背景技術(shù)】中的不足之處，實(shí)現(xiàn)柔性納米纖維高得率與高質(zhì)量制備。
[0007]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，包括以下步驟:
[0008](I)用打漿機(jī)將紙漿纖維切斷與切短，切短纖維長(zhǎng)度控制在500?IOOOum ；
[0009](2)切短的紙漿纖維使用垂直于纖維軸向的錘擊力將纖維壓潰，直至纖維初生壁與次生壁外層破裂或剝離；
[0010](3)利用平行于纖維軸向的搓揉剪切力解離微纖絲層，得到初步納米化的纖維微纖絲；
[0011](4)將初步納米化微纖絲用高剪切力均整處理，獲得尺寸均一的柔性納米纖維。
[0012]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高得率、尺寸均一且可批量制備的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0013](I)纖維切斷和切短，極大強(qiáng)化了纖維后續(xù)處理時(shí)的吸水潤脹程度、纖維初生壁與次生壁外層破裂與剝離。
[0014](2)纖維切斷和切短，有效控制了納米纖維長(zhǎng)度尺寸范圍，避免傳統(tǒng)方法長(zhǎng)度分布超寬，得率極低結(jié)果。
[0015](3)在機(jī)械錘擊力作用下，被切斷和切短后纖維極易被整體壓潰、層間位移，水分子可從纖維兩端截面縱向滲透進(jìn)入纖維內(nèi)部，加快纖維內(nèi)部層間吸水潤脹，破除纖維初生壁和次生壁外層，解除對(duì)纖維微纖絲的束縛。
[0016](4)利用機(jī)械搓揉剪切作用力，實(shí)現(xiàn)纖維微纖絲層的初步解離。
[0017](5)初步解離的纖維微纖絲，經(jīng)高剪切均整，徹底將未納米化的微纖絲束解離開，獲得尺寸均一的柔性納米纖維。
[0018](6)柔性納米纖維制備過程中，不使用化學(xué)助劑或有機(jī)溶劑，納米纖維清潔，克服了傳統(tǒng)方法可能對(duì)納米纖維材料的污染。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]實(shí)施例
[0021]一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，包括以下步驟:
[0022](I)將200g紙漿纖維分散在20kg水中配制成纖維懸浮液，用打漿機(jī)對(duì)纖維進(jìn)行快速切短，切短纖維長(zhǎng)度控制在500?lOOOum。
[0023](2)將400g已切短的纖維分散在20kg水中配制成纖維懸浮液，使用垂直于纖維軸向的錘擊力對(duì)纖維進(jìn)行機(jī)械錘擊，錘擊力從0.5kg逐步增加到10kg，連續(xù)錘擊，直至纖維初生壁與次生壁外層破裂或剝離。[0024](3)將經(jīng)錘擊處理后的纖維，放入搓揉剪切設(shè)備，飛刀轉(zhuǎn)數(shù)控制在1000轉(zhuǎn)/min，搓揉時(shí)間由Imin到20min，在平行于纖維軸向的搓揉剪切力作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維微纖絲層的解離，得到初步納米化的纖維微纖絲。
[0025](4)將初步納米化的纖維微纖絲用去離子水稀釋到2%濃度，通過高壓均質(zhì)機(jī)高剪切力作用，得到平均直徑約20nm、長(zhǎng)度約2000nm的柔性納米纖維。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于柔性納米紙基材料的木質(zhì)纖維微纖絲解離方法，其特征在于包括以下步驟: (1)用打漿機(jī)將紙漿纖維切斷與切短，切短纖維長(zhǎng)度控制在500?IOOOum； (2)切短的紙漿纖維使用垂直于纖維軸向的錘擊力將纖維壓潰，直至纖維初生壁與次生壁外層破裂或剝離； (3)利用平行于纖維軸向的搓揉剪切力解離微纖絲層，得到初步納米化的纖維微纖絲； (4)將初步納米化微纖絲用高剪切力均整處理，獲得尺寸均一的柔性納米纖維。
【文檔編號(hào)】D21D1/02GK103952939SQ201410196785
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】戴紅旗, 李關(guān)蓮, 卞輝洋, 焦麗, 皮成忠 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)