[发明专利]高填充的再生纤维素基功能复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高填充的再生纤维素基功能复合材料及其制备方法。本发明通过将功能填料，强碱、尿素和水组成的溶液混合后球磨，得到功能填料的浆料，再与再生纤维素溶液机械搅拌混合，得到具有高可加工性的再生纤维素基前驱体浆料。利用本发明的再生纤维素基前驱体浆料通过湿法纺丝、铸膜、与环氧氯丙烷混合后倾倒入模具能够分别制备一维、二维和三维再生纤维素基功能复合材料。以本发明制得的前驱体浆料为基础原料，即使在高的填充含量下，填料依然能够稳定并均匀地分散在体系中，利于制备高性能的再生纤维素基复合材料，拓宽了再生纤维素基功能复合材料的应用的领域。

技术领域

本发明属于功能化再生纤维素基纳米复合材料制备技术领域，涉及一种高填充的再生纤维素基功能复合材料及其制备方法。

背景技术

再生纤维素(RC)作为一种绿色环保的生物质材料，它在自然界有丰富的存储量，加工方式绿色环保，在替代传统石油基高分子材料(如PP、PE等)领域具有非常诱人的前景。再生纤维素制备得到的材料具有优异的机械性能，在传统的聚合物应用领域如织物、塑料袋、食物封装等有广泛的应用。但是随着新兴科技的发展，如可穿戴技术等，对高分子材料提出了新的需求：要求其在保持其机械性能的同时具有导电、导热、电磁屏蔽等性能。而再生纤维素材料的本征特性不能满足当前时代发展对新材料功能性的需求，因此再生纤维素功能性的开发对其在新材料领域的应用具有重要的意义。

向聚合物中引入具有功能性的填料是聚合物基复合材料功能性开发的主要方法，例如向聚合物中加入具有高导电的石墨烯、碳纳米管或银纳米线等填料可以赋予聚合物电磁屏蔽性能；向聚合物中引入具有高导热系数的氧化铝、氮化硼等填料可以赋予聚合物更好的传热性能。填料的填充含量与其在基体中的分散状态是影响复合材料性能的关键因素。一方面，通常情况下只有当填料含量足够高时，复合材料的功能性才能够得到明显地提升。传统实现高填充含量的加工方法是通过熔融共混，通过在加工过程中对填料和聚合物熔体施加强烈的剪切力从而实现功能填料和聚合物的复合。但是因为纤维素大分子链中存在大量羟基，其结晶区内所有的羟基之间都形成了强的氢键，因此纤维素无法通过熔融加工的方法实现纤维素与功能填料的共混。现有的纤维素和填料共混的方式主要是通过简单机械混合的方式将填料和再生纤维素溶液直接混合。但在高的填充含量下，该混合方式很难实现填料在基体中的均匀分散。这是因为大多数功能填料(如氮化硼、石墨烯、碳纳米管等)表面官能团很少，当填料含量过高时，填料之间很容易因分子间作用力而团聚，从而导致复合材料的力学性能、可加工性等大幅度下降，无法投入到实际的生产和使用，不利于纤维素基复合材料功能应用的开发。因此，如何同时实现高填料含量填充以及均匀分散是纤维素基功能复合材料领域发展亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高可加工性的再生纤维素基前驱体浆料，包括再生纤维素溶液和功能填料，通过以下步骤制备：

步骤1，将功能填料，强碱、尿素和水组成的溶液混合后球磨，得到功能填料的浆料；

步骤2，将再生纤维素溶液与功能填料的浆料通过机械搅拌的方法混合，得到再生纤维素基前驱体浆料。

优选地，步骤1中，所述的尿素和水的质量比为15:77，强碱的质量与尿素和水的总质量的比例为4～7:46。

优选地，步骤1中，所述的球磨的转速为200～900rpm，球磨时间为0.25～12h。

优选地，步骤1中，所述的强碱为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。

优选地，步骤1中，所述的再生纤维素溶液采用下述方法制得：在-15℃～0℃下，将强碱和尿素组成的水溶液溶解再生纤维素原料，循环冻融，得到无色透明的再生纤维素溶液，所述的强碱为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。

优选地，步骤2中，所述的再生纤维素溶液中再生纤维素的质量浓度为4～6％。

优选地，步骤2中，所述的机械搅拌的搅拌速率为500～1000rpm。