[发明专利]一种生物质纳米纤维导电纸的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质纳米纤维导电材料的制备方法，具体为一种生物质纳米纤维导电纸的制备方法。

背景技术

植物纤维导电纸不仅拥有良好的导电和电磁屏蔽效果，还具有资源丰富，生态环保，成本低廉等优势，近年来在作为一种新型导电材料倍受青睐。然而，植物纤维本身并不能导电，需要引入导电聚合物或无机导电材料等与其复合，构建电荷传导通径，实现植物纤维的导电功能。碳纳米管（单壁或多壁）具有优异的导电性能及天然网状结构，能创造高效导电通径，已成为制备植物纤维导电纸的最佳材料。而在这种植物纤维导电纸的制备过程中，植物纤维与无机碳纳米管的互溶及有效结合，是决定材料性能的关键因素。采用室温离子液体溶解的纤维素，可以与碳纳米管互配混合，但其多余离子液体及其残余物的清除仍然复杂繁琐，利用借助烷基磺酸钠盐、甲基吗啡等表面活性剂可以在水中有效分散碳纳米管，但是分散过程程序复杂、可控性差，同时有些分散剂对环境和生态有害。

纤维素纳米纤丝作为一类重要的生物质纳米纤维材料，常利用高速机械剪切或化学氧化的方法，将植物纤维中的纤维素微纤丝分离拆解成直径在纳米级（低于100nm）的细长纤维。它不仅力学性能强、长径比高，在水溶液中还能呈稳定的胶体状。利用合适的方法均匀分散碳纳米管于纳米纤维溶液中，不仅能获得力学强度高，导电性好的纳米导电纸材料，材料的纳米小尺寸及量子效应还能赋予材料新的电磁特性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种生物质纳米纤维导电纸的制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种生物质纳米纤维导电纸的制备方法，区别于其它工艺的显著特点是利用高速均质化机械剪切破坏碳纳米管的外层结构，使其呈现极性，与纤维素纳米纤丝纤维表面羟基结合。同时利用纳米纤维混合溶液的高粘性阻滞碳纳米管的团聚，使其均匀稳定分散。然后采用类似于传统造纸的方法滤去混合溶液中多余水分，获得性能优异的生物质纳米纤维导电纸复合材料，包括以下步骤：

第1步：将增稠剂羟丙基甲基纤维素溶入纤维素纳米纤丝溶液中，增稠剂质量占混合物料（干态）的3-5%。在高速搅拌条件下加入去离子水将上述混合溶液稀释至0.2-0.3wt%。

第2步：将一定量的碳纳米管加入稀释状态纤维素纳米纤丝与增稠剂的混合溶液中，机械搅拌10min初步分散碳纳米管。

第3步：高速均质化机械剪切处理。经初步分散的混合溶液在微射流高压均质机内进行剪切分散处理，其中200μm和87μm的反应腔联合使用，循环剪切处理5-8次。

第4步：经充分分散的碳纳米管/纳米纤维混合溶液在加压（或真空）过滤系统中滤去部分水分，形成胶体状湿膜。湿膜在外加载荷条件下经滤纸吸附多余水分、加热干燥至绝干。

本发明中，所述第1步中增稠剂可以是羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羧基甲基纤维素，或者它们的混合物，但是增稠剂的添加量需控制在3-5wt%，根据原料纤维素纳米纤丝溶液的粘度调节。

本发明中，所述第1步中加入增稠剂后的纤维素纳米纤丝混合溶液需调节固含量至0.2-0.3%，以避免后续高速剪切过程中物料在反应腔内堵塞。

本发明中，所述第2步中碳纳米管的添加量视目标材料要求而定，一般添加量为3-6wt%即可，最多不能超过15wt%。

本发明中，所述第3步中微射流高压均质机剪切处理时，200-87μm联合反应腔内压强为140-160MPa。

本发明中，所述第3步中微射流高压均质机剪切处理时，循环剪切次数为4-8次。

本发明中，所述第4步中碳纳米管/纳米纤维混合溶液需经过纤维素渗透膜过滤，其中过滤膜的孔径为0.2-0.7μm。

本发明中，所述第4步中湿膜干燥过程需施加外部压力防止其收缩变形。为了保证导电纸内水分完全去除，可在100-105℃加热条件下进一步干燥1h。

有益效果：本发明所述的生物质纳米纤维导电纸的制备方法利用高速均质化机械剪切破坏碳纳米管的外层结构，使其呈现极性，能与纤维素纳米纤丝纤维表面羟基结合。同时借助纳米纤维/纤维素增稠剂溶液的高粘性阻滞碳纳米管的团聚，使其均匀稳定分散。通过这种方法获得的纤维素导电纸生产过程简单易控、绿色环保、成本合适。同时，大比表面积、天然网状结构的纤维素纳米纤丝能吸附、结合更多的碳纳米管，复合导电纸整体性能优于传统的微米级植物纤维导电纸，可应用于非常规导电材料、储能材料、新型电磁屏蔽及传感材料等领域。

具体实施方式