一種利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法，以竹原纖維為原料，通過溶脹脫膠、脫木質(zhì)素、漂白處理、納米纖絲化處理、成紙等五步處理過程，制備得到柔性透明納米紙。本發(fā)明采用高壓過濾成膜，工藝過程簡單，膜厚度可控；制得的透明納米紙具有微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，透明性和柔性的特點(diǎn)。本發(fā)明的透明納米紙?jiān)谔柲鼙∧る姵?、超級電容器、鋰離子電池隔膜、催化載體、環(huán)境治理、抗靜電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域，特別是纖維素納米紙制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】[0002]當(dāng)前在電子工業(yè)里最大的挑戰(zhàn)就是制造便攜式，柔性，低成本和可循環(huán)利用的器件。柔性電子正面向大面積、高效率、低成本方向發(fā)展，柔性顯示、薄膜傳感器、0LED、太陽能電池、人機(jī)交互及電子紡織等下一代柔性電子系統(tǒng)，對襯底材料的特性和襯底與導(dǎo)體材料之間的界面性能提出更高的要求。玻璃襯底廣泛的應(yīng)用于電子和顯示器，具有較低的熱膨脹系數(shù)(CET)，但是脆性高易碎。美國Corning公司開發(fā)了一種高透明柔性玻璃，100 μ π!厚度彎曲的弧度半徑為40_，加工溫度為600°C高于塑料，而實(shí)用化需要進(jìn)一步減小彎曲半徑。柔性塑料制品襯底因其優(yōu)越的機(jī)械性能、輕質(zhì)、制備簡單、低成本的優(yōu)勢而在電子器件領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如有機(jī)太陽能電池、傳感器、循環(huán)電路等?，F(xiàn)今，塑料襯底(PET、PEN、PC)雖然優(yōu)勢不減，但在電子領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的今天，石油基體材料缺點(diǎn)也日漸明顯，較低的膨脹系數(shù)、加工溫度的嚴(yán)苛以及不可持續(xù)利用等短板已經(jīng)開始被人們所重視。
[0003]相對于玻璃和塑料襯底，納米紙具備了滿足大規(guī)模柔性電子襯底所必需的特性，因其柔性、透明、可持續(xù)利用的特點(diǎn)已經(jīng)開始逐漸替代塑料制品，開始進(jìn)入人們的視野并開始逐漸成為柔性電子的新興襯底。傳統(tǒng)的纖維有著獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)，直徑25 μ m的纖維由許多微纖聚集而成，而微纖則由更小的原纖維構(gòu)成。普通的紙是由25μπι左右的纖維素纖維構(gòu)成，由于纖維的直徑過大，導(dǎo)致光散射嚴(yán)重，繼而導(dǎo)致紙張的不透明。當(dāng)植物纖維直徑由微米級變?yōu)榧{米級時(shí)，相應(yīng)抄造的紙由不透明逐漸變?yōu)橥该?，主要是因?yàn)闃?gòu)成紙的納米纖維素直徑遠(yuǎn)小于光的波長，相比于普通纖維，這一性質(zhì)極大地削減了光的散射，從而提高了紙的透明性。分散的孤立的納米纖維是很難直接應(yīng)用，必須將其制成宏觀的基材，同時(shí)不失其納米材料的性能，才能便于應(yīng)用。透明納米纖維紙就是這樣一種良好的基材，它不僅保持了納米纖維高比表面積的特性，還增強(qiáng)了其柔性、透明性等方面的優(yōu)勢。
[0004]目前報(bào)導(dǎo)的透明納米紙的制備方法主要有:1、納米纖維首先被冷凍干燥，在真空機(jī)械壓力的條件下除去空氣并減少空隙；2、將納米纖維素分散液真空抽濾，通過透光塑料的層壓獲得；3、將納米纖維素分散液先通過抄紙過程成膜，再經(jīng)熱壓成型的方法制備紙張。以上前兩種方法制造的紙張往往無法控制膜厚、透明性等特性，而且形成的產(chǎn)品易開裂且紙張不易從載體剝離；而第三種方法過程復(fù)雜且資源消耗較大。故如何開發(fā)出一種高效制備技術(shù)已成為解決透明納米紙規(guī)模化制備的關(guān)鍵核心難題。
[0005]本發(fā)明通過竹原纖維結(jié)構(gòu)分析及組分精確分離，控制處理時(shí)間、試劑用量、納米化處理，將竹原纖維的直徑控制在納米級，獲得高長徑比納米纖絲化纖維素，發(fā)明了一種柔性透明的納米紙。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種利用竹原纖維制備透明納米紙的方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，具體步驟為:
a.溶脹脫膠:將2~3g竹纖維置入反應(yīng)釜中，加入含NaOH4^8g的水溶液200g，將反應(yīng)釜置于溫度為12(T16(TC的油浴中攪拌蒸煮2~4 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣；
b.脫木質(zhì)素:將步驟a所得濾渣加入含乙酸、硫酸的混合溶液300mL，其中乙酸的體積分?jǐn)?shù)為88%，硫酸的體積分?jǐn)?shù)為0.3%，在7(T95°C下攪拌3-6h脫除木質(zhì)素，抽濾洗滌至中性，取濾渣；
c.漂白處理:將步驟b所得濾渣進(jìn)行漂白處理，加入含0.5~2% NaClO2的溶液200~400mL，用CH3COOH調(diào)節(jié)pH至:1-4，油浴中60-90°C漂白4~6 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣； d.納米纖絲化:將步驟c所得樣品用200mL乙醇稀釋,在細(xì)胞超聲粉碎機(jī)中800 w超聲粉碎廣2 h，再將纖維分散液稀釋加入均質(zhì)機(jī)中，控制均質(zhì)壓力為10(T300Mpa，循環(huán)15^40次，獲得粘稠纖維素溶膠；
e.成紙:取步驟d所得的纖維素溶膠0.2g，加入適量乙醇稀釋，透析6~10 h，去除透析聚集物，水浴中超聲30 min，取適量上清液加入至過濾機(jī)中，控制壓力為f 4 MPa，擠出成膜，濕膜在4(T60°C下真空干燥，獲得柔性透明納米紙。
[0008]上述的納米紙由100%納米纖絲化纖維素構(gòu)成，直徑為2(T200nm，長徑比為20~100。
[0009]上述的納米紙透光率大于80% ;納米紙具有微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比表面積為5(T300m2/
g°
[0010]本發(fā)明一種利用竹原纖維制備透明納米紙的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)利用本發(fā)明方法可以合理高效利用自然資源，生態(tài)環(huán)境友好，獲得高附加值經(jīng)濟(jì)效益；
(2)高壓過濾成膜，膜厚可控，制得的透明納米紙具有微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，具有透明性和柔性的特點(diǎn)；
(3)工藝簡單、易于實(shí)施，能量消耗少、生產(chǎn)成本低，制備過程中不產(chǎn)生對環(huán)境有害副產(chǎn)物，產(chǎn)率較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是具體實(shí)施例一所得納米紙與普通紙(纖維直徑25 μ m)的對比照片；
圖2是具體實(shí)施例一所得納米紙與普通紙(纖維直徑25 μ m)的透光率對比圖；
圖3是具體實(shí)施例二所得納米紙與普通紙(纖維直徑25 μ m)的對比照片；
圖4是具體實(shí)施例一所得納米紙與普通紙(纖維直徑25 μ m)的透光率對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
實(shí)施例一:具體步驟如下:
(I)溶脹脫膠:將3g竹原纖維置入反應(yīng)釜中，加入含NaOH 4 g的水溶液200g，將反應(yīng)釜置于溫度為120 °C的油浴中攪拌蒸煮3 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(2)脫木質(zhì)素:將上述步驟所得濾渣加入含乙酸、硫酸的混合溶液300 mL，其中乙酸的體積分?jǐn)?shù)為88%，硫酸的體積分?jǐn)?shù)為0.3%，在90 °C下攪拌4 h脫除木質(zhì)素，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(3)漂白:將上述步驟所得濾渣進(jìn)行漂白處理，加入含1.5 % NaClO2的溶液200 mL，用CH3COOH調(diào)節(jié)pH至3?4，油浴中80°C漂白4 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(4)纖絲化:將上述步驟所得樣品用200 mL乙醇稀釋，在細(xì)胞超聲粉碎機(jī)中800 w超聲粉碎I h，再將纖維分散液稀釋加入均質(zhì)機(jī)中，控制均質(zhì)壓力為lOOMPa，循環(huán)20次，獲得粘稠纖維素溶膠；(5)成紙:取上述纖維素溶膠0.2g,加入適量乙醇稀釋，透析6 h,水浴中超聲30min，取適量上清液加入至過濾機(jī)中，以IMpa的壓力成膜，濕膜在40°C下真空干燥，獲得透明納米紙。
[0013]本實(shí)施方式所得納米纖維直徑為20nm，其成紙照片以及透光率與普通紙(25 μ m)的對比如圖1，2所示；本實(shí)施方式所得透明納米紙的比表面積為220 m2/g，透光率大于80%。
[0014]實(shí)施例二:具體步驟如下:
(I)溶脹脫膠:將3g竹原纖維置入反應(yīng)釜中，加入含NaOH 6 g的水溶液200g，將反應(yīng)釜置于溫度為140 °C的油浴中攪拌蒸煮4 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(2)脫木質(zhì)素:將上述步驟所得濾渣加入含乙酸、硫酸的混合溶液300 mL，其中乙酸的體積分?jǐn)?shù)為88%，硫酸的體積分?jǐn)?shù)為0.3%，在90 °C下攪拌6 h脫除木質(zhì)素，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(3)漂白:將上述步驟所得濾渣進(jìn)行漂白處理，加入含1.5 % NaClO2的溶液300 mL，用CH3COOH調(diào)節(jié)pH至3?4，油浴中80°C漂白6 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣；(4)纖絲化:將上述步驟所得樣品用200 mL乙醇稀釋，在細(xì)胞超聲粉碎機(jī)中800 w超聲粉碎2 h，再將纖維分散液稀釋加入均質(zhì)機(jī)，控制均質(zhì)壓力為200MPa，循環(huán)40次，獲得粘稠纖維素溶膠；(5)成紙:取上述纖維素溶膠0.2g,加入適量乙醇稀釋，透析6 h,水浴中超聲30min，取適量上清液加入至過濾機(jī)中，以4 Mpa的壓力擠出成膜，濕膜在50°C下真空干燥，獲得透明納米紙。
[0015]本實(shí)施方式所得納米纖維直徑為20nm，其成紙照片以及透光率與普通紙(25 μ m)的對比如圖3，4所示；本實(shí)施方式所得透明納米紙的比表面積為160 m2/g，透光率大于80%。
[0016]熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易的對這些實(shí)施實(shí)例做出各種修改，并把在此說明的一般性原理應(yīng)用在其它應(yīng)用實(shí)例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施實(shí)例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.溶脹脫膠:將2~3g竹纖維置入反應(yīng)釜中，加入含NaOH4^8g的水溶液200g，將反應(yīng)釜置于溫度為12(T16(TC的油浴中攪拌蒸煮2~4 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣； b.脫木質(zhì)素:將步驟a所得濾渣加入含乙酸、硫酸的混合溶液300mL，其中乙酸的體積分?jǐn)?shù)為88%，硫酸的體積分?jǐn)?shù)為0.3%，在7(T95°C下攪拌3飛h脫除木質(zhì)素，抽濾洗滌至中性，取濾渣； c.漂白處理:將步驟b所得濾渣進(jìn)行漂白處理，加入含0.5~2% NaClO2的溶液200~400mL，用CH3COOH調(diào)節(jié)pH至:1-4，油浴中6(T90°C漂白4~6 h，抽濾洗滌至中性，取濾渣； d.納米纖絲化:將步驟c所得樣品用200mL乙醇稀釋,在細(xì)胞超聲粉碎機(jī)中800 w超聲粉碎h，再將纖維分散液稀釋加入均質(zhì)機(jī)中，控制均質(zhì)壓力為10(T300MPa，循環(huán)15^40次，獲得粘稠纖維素溶膠； e.成紙:取步驟d所得的纖維素溶膠0.2g，加入適量乙醇稀釋，透析6~10 h，去除透析聚集物，水浴中超聲30 min，取適量上清液加入至過濾機(jī)中，控制壓力為f 4 MPa，擠出成膜，濕膜在4(T60°C下真空干燥，獲得柔性透明納米紙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法，其特征在于該納米紙由100%納米纖絲化纖維素構(gòu)成，納米纖絲化纖維素的直徑為2(T200nm，長徑比為20~100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用竹原纖維制備柔性透明納米紙的方法，其特征在于所述納米紙由100 %納米纖絲化纖維素構(gòu)成，透光率大于80%;納米紙具有微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比表面積為50~300m2/g。
【文檔編號】D21H27/00GK103757986SQ201410000430
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】馮欣, 趙經(jīng)鵬, 施利毅, 孟祥浩, 曹紹梅, 苗苗, 王鋼領(lǐng), 方建慧 申請人:上海大學(xué)