專利名稱：一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電材料的制備方法，具體為一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法。
背景技術(shù)：
植物纖維導(dǎo)電紙不僅擁有良好的導(dǎo)電和電磁屏蔽效果，還具有資源豐富，生態(tài)環(huán)保，成本低廉等優(yōu)勢，近年來在作為一種新型導(dǎo)電材料倍受青睞。然而，植物纖維本身并不能導(dǎo)電，需要引入導(dǎo)電聚合物或無機(jī)導(dǎo)電材料等與其復(fù)合，構(gòu)建電荷傳導(dǎo)通徑，實現(xiàn)植物纖維的導(dǎo)電功能。碳納米管(單壁或多壁)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能及天然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能創(chuàng)造高效導(dǎo)電通徑，已成為制備植物纖維導(dǎo)電紙的最佳材料。而在這種植物纖維導(dǎo)電紙的制備過程中，植物纖維與無機(jī)碳納米管的互溶及有效結(jié)合，是決定材料性能的關(guān)鍵因素。采用室溫離子液體溶解的纖維素，可以與碳納米管互配混合，但其多余離子液體及其殘余物的清除仍然復(fù)雜繁瑣，利用借助烷基磺酸鈉鹽、甲基嗎啡等表面活性劑可以在水中有效分散碳納米管，但是分散過程程序復(fù)雜、可控性差，同時有些分散劑對環(huán)境和生態(tài)有害。纖維素納米纖絲作為一類重要的生物質(zhì)納米纖維材料，常利用高速機(jī)械剪切或化學(xué)氧化的方法，將植物纖維中的纖維素微纖絲分離拆解成直徑在納米級(低于IOOnm)的細(xì)長纖維。它不僅力學(xué)性能強、長徑比高，在水溶液中還能呈穩(wěn)定的膠體狀。利用合適的方法均勻分散碳納米管于納米纖維溶液中，不僅能獲得力學(xué)強度高，導(dǎo)電性好的納米導(dǎo)電紙材料，材料的納米小尺寸及量子效應(yīng)還能賦予材料新的電磁特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，區(qū)別于其它工藝的顯著特點是利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切破壞碳納米管的外層結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)極性，與纖維素納米纖絲纖維表面羥基結(jié)合。同時利用納米纖維混合溶液的高粘性阻滯碳納米管的團(tuán)聚，使其均勻穩(wěn)定分散。然后采用類似于傳統(tǒng)造紙的方法濾去混合溶液中多余水分，獲得性能優(yōu)異的生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙復(fù)合材料，包括以下步驟:
第I步:將增稠劑羥丙基甲基纖維素溶入纖維素納米纖絲溶液中，增稠劑質(zhì)量占混合物料(干態(tài))的3-5%。在高速攪拌條件下加入去離子水將上述混合溶液稀釋至0.2-0.3wt%。第2步:將一定量的碳納米管加入稀釋狀態(tài)纖維素納米纖絲與增稠劑的混合溶液中，機(jī)械攪拌IOmin初步分散碳納米管。第3步:高速均質(zhì)化機(jī)械剪切處理。經(jīng)初步分散的混合溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切分散處理，其中200 μ m和87 μ m的反應(yīng)腔聯(lián)合使用，循環(huán)剪切處理5_8次。第4步:經(jīng)充分分散的碳納米管/納米纖維混合溶液在加壓(或真空)過濾系統(tǒng)中濾去部分水分，形成膠體狀濕膜。濕膜在外加載荷條件下經(jīng)濾紙吸附多余水分、加熱干燥至絕干。本發(fā)明中，所述第I步中增稠劑可以是羥丙基甲基纖維素，羥乙基纖維素，羧基甲基纖維素，或者它們的混合物，但是增稠劑的添加量需控制在3-5wt%，根據(jù)原料纖維素納米纖絲溶液的粘度調(diào)節(jié)。本發(fā)明中，所述第I步中加入增稠劑后的纖維素納米纖絲混合溶液需調(diào)節(jié)固含量至0.2-0.3%，以避免后續(xù)高速剪切過程中物料在反應(yīng)腔內(nèi)堵塞。本發(fā)明中，所述第2步中碳納米管的添加量視目標(biāo)材料要求而定，一般添加量為3_6wt%即可，最多不能超過15wt%。本發(fā)明中，所述第3步中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時，200-87 μ m聯(lián)合反應(yīng)腔內(nèi)壓強為 140-160MPa。本發(fā)明中，所述第3步中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時，循環(huán)剪切次數(shù)為4-8次。本發(fā)明中，所述第4步中碳納米管/納米纖維混合溶液需經(jīng)過纖維素滲透膜過濾，其中過濾膜的孔徑為0.2-0.7 μ m。本發(fā)明中，所述第4步中濕膜干燥過程需施加外部壓力防止其收縮變形。為了保證導(dǎo)電紙內(nèi)水分完全去除，可在100-105°C加熱條件下進(jìn)一步干燥lh。有益效果:本發(fā)明所述的生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切破壞碳納米管的外層結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)極性，能與纖維素納米纖絲纖維表面羥基結(jié)合。同時借助納米纖維/纖維素增稠劑溶液的高粘性阻滯碳納米管的團(tuán)聚，使其均勻穩(wěn)定分散。通過這種方法獲得的纖維素導(dǎo)電紙生產(chǎn)過程簡單易控、綠色環(huán)保、成本合適。同時，大比表面積、天然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維素納米纖絲能吸附、結(jié)合更多的碳納米管，復(fù)合導(dǎo)電紙整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)的微米級植物纖維導(dǎo)電紙，可應(yīng)用于非常規(guī)導(dǎo)電材料、儲能材料、新型電磁屏蔽及傳感材料等領(lǐng)域。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。實施例1
第I步:將增稠劑羥丙基甲基纖維素溶入纖維素納米纖絲溶液中，增稠劑質(zhì)量占混合物料(干態(tài))的3%。為避免后續(xù)高速剪切過程中物料在反應(yīng)腔內(nèi)堵塞，在攪拌條件下加入去離子水將上述混合溶液稀釋至0.2wt%。第2步:將5wt%的碳納米管加入稀釋狀態(tài)的纖維素納米纖絲/羥丙基甲基纖維素混合溶液中，機(jī)械攪拌IOmin初步分散碳納米管。第3步:高速均質(zhì)化機(jī)械剪切處理。經(jīng)初步分散的混合溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切分散處理，其中200 μ m和87 μ m的反應(yīng)腔聯(lián)合使用，反應(yīng)壓強為150MPa，循環(huán)剪切處理6次。第4步:經(jīng)充分分散的碳納米管/納米纖維混合溶液在加壓過濾系統(tǒng)中經(jīng)0.2 μπι孔徑的纖維素濾紙濾去部分水分，形成膠體狀濕膜。濕膜固含量20%，在500Ν外加載荷下經(jīng)濾紙吸附干燥，再在100-105°C加熱條件下進(jìn)一步干燥lh。
實施例2
第I步:將增稠劑羥丙基甲基纖維素溶入纖維素納米纖絲溶液中，增稠劑質(zhì)量占混合物料(干態(tài))的4%。為避免后續(xù)高速剪切過程中物料在反應(yīng)腔內(nèi)堵塞，在攪拌條件下加入去離子水將上述混合溶液稀釋至0.3wt%。第2步:將6wt%的碳納米管加入稀釋狀態(tài)的纖維素納米纖絲/羥丙基甲基纖維素混合溶液中，機(jī)械攪拌IOmin初步分散碳納米管。第3步:高速均質(zhì)化機(jī)械剪切處理。經(jīng)初步分散的混合溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切分散處理，其中200 μ m和87 μ m的反應(yīng)腔聯(lián)合使用，反應(yīng)壓強為150MPa，循環(huán)剪切處理8次。第4步:經(jīng)充分分散的碳納米管/納米纖維混合溶液在加壓過濾系統(tǒng)中經(jīng)0.4 μπι孔徑的纖維素濾紙濾去部分水分，形成膠體狀濕膜。濕膜固含量20%，在500Ν外加載荷下經(jīng)濾紙吸附干燥，再在100-105°C加熱條件下進(jìn)一步干燥lh。實施例3
第I步:將增稠劑羥丙基甲基纖維素溶入纖維素納米纖絲溶液中，增稠劑質(zhì)量占混合物料(干態(tài))的5%。為避免后續(xù)高速剪切過程中物料在反應(yīng)腔內(nèi)堵塞，在攪拌條件下加入去離子水將上述混合溶液稀釋至0.2wt%。第2步:將7wt%的碳納米管加入稀釋狀態(tài)的纖維素納米纖絲/羥丙基甲基纖維素混合溶液中，機(jī)械攪拌IOmin初步分散碳納米管。第3步:高速均質(zhì)化機(jī)械剪切處理。經(jīng)初步分散的混合溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切分散處理，其中200 μ m和87 μ m的反應(yīng)腔聯(lián)合使用，反應(yīng)壓強為150MPa，循環(huán)剪切處理8次。第4步:經(jīng)充分分散的碳納米管/納米纖維混合溶液在加壓過濾系統(tǒng)中經(jīng)0.5 μπι孔徑的纖維素濾紙濾去部分水分，形成膠體狀濕膜。濕膜固含量20%，在500Ν外加載荷下經(jīng)濾紙吸附干燥，再在100-105°C加熱條件下進(jìn)一步干燥lh。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特點在于，包括以下步驟: 第I步:將增稠劑羥丙基甲基纖維素溶入纖維素納米纖絲溶液中，增稠劑質(zhì)量占干態(tài)的混合物料的3-5%，在高速攪拌條件下加入去離子水將上述混合溶液稀釋至0.2-0.3wt% ； 第2步:將一定量的碳納米管加入稀釋狀態(tài)纖維素納米纖絲與增稠劑的混合溶液中，機(jī)械攪拌IOmin初步分散碳納米管； 第3步:高速均質(zhì)化機(jī)械剪切處理，經(jīng)初步分散的混合溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切分散處理，其中200 μ m和87 μ m的反應(yīng)腔聯(lián)合使用，循環(huán)剪切處理5_8次； 第4步:經(jīng)充分分散的碳納米管/納米纖維混合溶液在加壓(或真空)過濾系統(tǒng)中濾去部分水分，形成膠體狀濕膜，濕膜在外加載荷條件下經(jīng)濾紙吸附多余水分、加熱干燥至絕干。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第I步中增稠劑可以是羥丙基甲基纖維素，羥乙基纖維素，羧基甲基纖維素，或者它們的混合物，但是增稠劑的添加量需控制在3-5wt%，根據(jù)原料纖維素納米纖絲溶液的粘度調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第I步中加入增稠劑后的纖維素納米纖絲混合溶液需調(diào)節(jié)固含量至0.2-0.3%，以避免后續(xù)高速剪切過程中物料在反應(yīng)腔內(nèi)堵塞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第2步中碳納米管的添加量視目標(biāo)材料要求而定，一般添加量為3-6wt%即可，最多不能超過 15wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第3步中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時，200-87 μ m聯(lián)合反應(yīng)腔內(nèi)壓強為140_160MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第3步中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時，循環(huán)剪切次數(shù)為4-8次。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第4步中碳納米管/納米纖維混合溶液需經(jīng)過纖維素滲透膜過濾，其中過濾膜的孔徑為0.2—0.7 u m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，其特征在于，所述第4步中濕膜干燥過程需施加外部壓力防止其收縮變形，為了保證導(dǎo)電紙內(nèi)水分完全去除，可在100-105°C加熱條件下進(jìn)一步干燥lh。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)納米纖維導(dǎo)電紙的制備方法，它將高導(dǎo)電性碳納米管加入粘性納米纖維/纖維素增稠劑混合溶液中，利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切壞碳納米管的外層結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)極性，與纖維素納米纖絲纖維表面羥基結(jié)合。同時借助納米纖維/纖維素增稠劑溶液的高粘性阻滯碳納米管的團(tuán)聚，使其均勻穩(wěn)定分散。通過這種方法獲得的生物質(zhì)纖維素導(dǎo)電紙生產(chǎn)過程簡單易控、綠色環(huán)保、成本合適。同時，大比表面積、天然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維素納米纖絲能吸附、結(jié)合更多的碳納米管，復(fù)合導(dǎo)電紙阻抗低、導(dǎo)電性穩(wěn)定、力學(xué)強度高、熱穩(wěn)定性好，能廣泛用于多維導(dǎo)電材料、非常規(guī)導(dǎo)電材料、多功能儲能材料、新型電磁屏蔽及電磁傳感材料等眾多領(lǐng)域。
文檔編號D21H27/00GK103147355SQ2013100594
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者卿彥, 吳義強, 蔡智勇, 張新荔, 李賢軍, 李新功 申請人:中南林業(yè)科技大學(xué)