[发明专利]一种金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维CNF材料的制备方法，该方法采用湿拉定向法原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向，制备纤维定向排列的纤维素纳米纤维CNF材料；采用金属离子交联策略，增强纤维素纳米纤维CNF材料中纤维之间的相互作用。利用本发明，通过原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向及彼此之间的相互作用，解决了纤维素纳米纤维CNF材料力学性能较差的问题，能够制备出纤维定向且结构致密的金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维CNF‑Msupgt;n+/supgt;材料。相比于普通的CNF材料，该CNF‑Msupgt;n+/supgt;材料同时具备高强度与高韧性，避免了提高材料强度的同时以牺牲其韧性为代价，从而满足在实际应用过程中对材料高强度与高韧性的要求。

技术领域

本发明涉及绿色环保生物材料制备技术领域，尤其是一种金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维材料的制备方法。

背景技术

纤维素纳米纤维(Cellulose nanofibrils，CNF)由植物纤维中所提取或由细菌所产生，不仅密度小、可降解，而且力学性能优异，是迄今为止人类发现自然界中最强的材料之一，其拉伸强度与拉伸模量分别可达6～7GPa和120～140GPa，高于常用的化学纤维。

此外，CNF分子链中的醚键、羟基、碳碳键及碳氢键无法吸收可见光，使其具有透明的特点。CNF通过氢键作用可自组装形成无序网络结构的透明材料，此类材料被广泛应用于太阳能电池、超级电容器、显示和可穿戴设备等领域。随着环境污染与能源短缺问题的日益严重，CNF材料作为一种可再生、可降解的生物资源，其发展与应用对自然界能耗节约和物质循环具有重要意义，助力我国在2030和2060年前分别实现“碳达峰”和“碳中和”目标。

然而，CNF材料的力学性能高度依赖于其自身的微结构。一方面，CNF通常杂乱无序地分布于材料内部，无法均匀地承担载荷，限制了其超高强度的有效发挥；另一方面，CNF之间仅依靠氢键作用难以形成致密的结构，从而导致材料内部孔隙的形成。进而，CNF材料的实际强度与理论值相差甚远，CNF材料力学性能较差的问题一直未能得到有效解决。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维材料的制备方法，以解决CNF材料力学性能较差的问题，制备出纤维定向且结构致密的CNF材料，满足在实际应用过程中对材料高强度与高韧性的要求。

为达到上述目的，本发明提供了一种金属离子交联强韧化纤维素纳米纤维材料的制备方法，该方法包括：

采用湿拉定向法原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向，制备纤维定向排列的纤维素纳米纤维CNF材料；以及

采用金属离子交联策略，增强纤维素纳米纤维CNF材料中纤维之间的相互作用。

上述方案中，所述采用湿拉定向法原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向，制备纤维定向排列的纤维素纳米纤维CNF材料的步骤中，选用四甲基哌啶TEMPO氧化的纤维素纳米纤维CNF，保证CNF分子链上C₆的羟基被羧基所取代。

上述方案中，所述纤维素纳米纤维CNF的直径在30～70nm之间。

上述方案中，所述采用湿拉定向法原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向，制备纤维定向排列的纤维素纳米纤维CNF材料的步骤中，通过湿拉定向法原位调控纤维素纳米纤维CNF的排列方向，使得纤维素纳米纤维CNF沿材料的拉伸方向定向排列。

上述方案中，所述湿拉定向法的拉伸速度为1～24mm/min，纤维素纳米纤维CNF材料的拉伸应变率为20％，保持时间为0.5～1h。