[發明專利]高強細菌纖維素微米纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201810905544.0
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN109228421B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 吳擢彤;陳仕艷;劉娜;王華平;張靜雯;盛楠;張茗皓
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: B29D7/01
• 分類號: B29D7/01
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 金利琴

本發明涉及一種高強細菌纖維素微米纖維及其制備方法，制備方法為：將超薄超強納米纖維膜進行加捻制得高強細菌纖維素微米纖維；加捻是在濕度為60％～100％的條件下進行的，加捻時轉子的轉速為50～200rpm，加捻的時間為1～3min，超薄超強納米纖維膜在干燥狀態下的厚度為3～10μm，拉伸強度為400～906MPa。制得的高強細菌纖維素微米纖維的直徑為70～300微米，拉伸強度≥400MPa，斷裂應變≥6％，斷裂功20MJ/m^?3。本發明的高強細菌纖維素微米纖維，強度高，韌性好，實現了高強與高韌性的良好兼顧，極具應用前景；本發明的制備方法，工藝簡單，成本低廉。

技術領域

本發明屬于纖維領域，涉及一種高強細菌纖維素微米纖維及其制備方法。

背景技術

當今纖維素微米纖維在包括紡織品領域、過濾材料領域、建筑材料領域和增強復合材料領域在內的多個領域得到廣泛應用。目前除棉纖維外，大多數纖維素纖維(如粘膠纖維、人造絲纖維和Lyocell纖維)均是通過再生工藝生產得到的。而再生工藝會對天然存在的纖維素I晶體結構產生破壞，從而極大地影響纖維素纖維的機械性能。

為克服再生工藝的缺陷，研究人員結合濕法、干法紡絲的方式來制備纖維素微米纖維以增強纖維強度，上述方法制得的纖維素微米纖維的強度為200～300MPa。為進一步提高纖維素微米纖維的強度，文獻I(Mittal N,Ansari F,Gowda K V,et al.MultiscaleControl of Nanocellulose Assembly:Transferring Remarkable Nanoscale FibrilMechanics to Macroscale Fibers.[J].Acs Nano,2018.)結合流體力學原理，通過溶劑的流動來輔助納米纖維素纖維有序排列，得到一種拉伸強度達到1.57GPa、模量為86GPa且斷裂應變為1～2％的纖維素微米纖維，此為目前已知的強度最高的纖維素微米纖維。

細菌纖維素微米纖維與普通纖維素微米纖維稍有不同，細菌纖維素是由微生物如醋酸菌屬發酵產生的具有超微纖維網絡的新型生物納米材料。在合成過程中，細菌體內產生的葡萄糖鏈通過其細胞包膜上存在的微小孔擠出，然后葡萄糖鏈結合，形成微纖維，進一步聚集形成纖維素帶即納米纖維，隨后這些納米纖維產生網狀結構，并且纖維之間存在大量的空隙，由于納米纖維表面存在許多羥基這些羥基可以兩兩形成氫鍵或與水分子形成氫鍵將水分子保留在網絡中，因此細菌纖維素宏觀狀態為凝膠狀態存在且其內部水含量較高。又由于培養的細菌都為好氧菌，只有在氧氣的作用下才能產生細菌纖維素，因此細菌纖維素在氣液界面處產生，隨著培養時間的延長，薄膜生長至一定厚度，薄膜及以下界面氧氣不足，好氧菌則上行至氣液界面繼續進行下一層薄膜的生長過程。得到的細菌纖維素凝膠(薄膜)實際上是由大量幾乎平行的薄纖維素層形成的。層與層之間存在少量納米纖維與納米纖維層間氫鍵相互連接。對BC(細菌纖維素)納米纖維研究發現，其截面為長方形，長和寬度分別為6～10nm和70～80nm，纖維長度為1～9μm，是目前最細的天然纖維。與其它纖維素納米纖維相比，BC纖維同時具有更大的長徑比(大于100)、更高的結晶度(70～89％)和優異的力學性能(楊氏模量達到114GPa)，然而由于細菌無序運動的特點，其納米纖維通過氫鍵結合而形成一種無序結構，這種無序結構極大地影響了細菌纖維素納米纖維的力學性能。