[发明专利]静电纺丝制备纤维素增强纳米复合纤维薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备复合纤维薄膜的方法。

背景技术

纤维素是自然界主要有植物通过光合作用合成的取之不尽用之不竭、最为丰富的天然高分材料。近年来，从纤维素中提取得到的纤维素纳米晶体(CNC)因其具有很大的比表面积、易化学修饰、生物相容性和易通过复合化赋予新功能等特性而引起了研究兴趣，并被大量用作纳米填料来制备高性能的复合物。研究表明：CNC的高结晶度和纳米尺度效应，将其与聚合物基体复合，不但可以显著增强聚合物的机械性能，而且还能提高聚合物热稳定性，实现复合材料的性能可控。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是具有高透明性和良好加工性能的高分子聚合物，被广泛地应用于工业生产。然而，传统成膜得到的PMMA纤维强度低、热学性能差，溶剂挥发造成环境污染，因而其使用也受到严格限制。因此，研究高效环保的PMMA成膜方法，实现PMMA材料的高性能化，具有重要的意义。

静电纺丝是利用附加电场制备微纳尺寸纤维的一种有效途径，制备得到的静电纺纤维具有直径小、高比表面积和可控多孔结构等特点。将静电纺丝技术引入PMMA成膜过程，制备出PMMA纤维薄膜具有一维纳米结构，直径可达几百纳米，实现了具备特殊网状结构PMMA纳米复合纤维的制备。然而，PMMA传统成膜方法难，并且非极性PMMA和极性CNC相容性差，亟需进一步深入探索。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法制备的PMMA纤维薄膜成膜难、热稳定性差，并且非极性PMMA和极性CNC相容性差的问题，提供了一种静电纺丝制备纤维素增强纳米复合纤维薄膜的方法。

静电纺丝制备纤维素增强纳米复合纤维薄膜的方法按照以下步骤进行：

一、将20～40g微晶纤维素和160～400g硫酸溶液混合，搅拌1～2h，得到混合溶液，加入混合溶液质量10～20倍的去离子水稀释，得到悬浮液，将悬浮液在4℃静置24h，取下层沉降的纤维素纳米晶体(CNC)，加去离子水离心洗涤，在10000rpm条件下离心10～20min，重复洗涤3次，得到弱酸性悬浮液，然后将弱酸性悬浮液置于透析袋中透析，直至pH值为7，再超声分散处理5～10分钟，得到CNC水悬液；

二、将200～300ml CNC水悬液放入烧瓶中，加入等体积二甲基甲酰胺(DMF)搅拌均匀，得到CNC/H₂O/DMF混合溶液，

使用旋转蒸发仪在50～70℃的水浴中将CNC/H₂O/DMF混合溶液中的水去除，得到CNC/DMF溶液；

将5～30g二甲基甲酰胺与3～30g CNC/DMF溶液混合，加入4～10g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒，其中CNC占聚甲基丙烯酸甲酯质量的5～20％，在50～60℃水浴锅中搅拌6～8h至聚甲基丙烯酸甲酯颗粒全部溶解，静置12～24h，得到电纺液；

三、将电纺液装入注射器中，设置正高压为10～20kV，负高压为-1～-3kV，推注速度为2～3ml/h，滚筒转速为40～80rpm，固定正负极之间的距离为15～20cm，电纺时间为2～5h，静电纺丝，得到纤维素增强纳米复合纤维薄膜。

本发明克服了PMMA传统方法成膜成膜难、脆性、热稳定性差等技术难题，公开了一种环保、高效的新型静电纺PMMA/CNC纳米复合纤维薄膜的制备方法。该方法采用了二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，将PMMA溶解后加入不同质量的CNC，均匀混合后对其进行静电纺丝。

对比现有技术，采用本方法制备的电纺PMMA/CNC薄膜具有以下优点：

1.采用环保高效的静电纺技术解决了PMMA成膜难、性能不易控制的问题。

2.制备出表面光滑、直径均匀的超细PMMA/CNC纳米复合纤维薄膜，其纳米尺度效应赋予了电纺PMMA薄膜更优异的使用性能；

3.随CNC添加量的逐渐增加，提高了PMMA/CNC薄膜的机械性能和热学性能。本发明将拓展静电纺PMMA/CNC纳米复合纤维的实际应用领域，揭示CNC对静电纺聚合物复合纤维的增强机理。

本发明制备的纤维表面光滑，直径均一，纤维略有弯曲形貌出现。随着CNC添加量增加，纤维直径逐步减小，纤维直径分布变化变小。而且随着CNC添加量增加，纳米复合纤维的TGA曲线向高温方向移动，纳米复合纤维的热学性能增强。制备的纤维薄膜最大拉伸强度达到0.3MPa。

附图说明

图1是实验一步骤一所得的CNC的微观形貌图；

图2是实验一制备的纤维素增强纳米复合纤维薄膜微观形貌结构图；