[發明專利]一種納米纖維素基仿生異質膜材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010466957.0
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111574738B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 徐環斐;車欣鵬;李濱
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C08J7/06
• 分類號: C08J7/06;C08L1/02
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 袁曉玲

本發明提供了一種納米纖維素基仿生異質膜材料的制備方法。其特征在于：以農林廢棄物生物質為原料，利用酸水解預處理聯合高壓均質過程制備含有木質素的納米纖維素，將木質素作為粘合劑，采用簡單的層層抽濾方式制備了氧化石墨烯層和納米纖維素層緊密結合的異質膜。然后，在溫和條件下將異質膜浸沒在一種溶液中進行還原處理，使其中的氧化石墨烯層變為還原氧化石墨烯層，經過干燥處理后，得到具有高柔性、可導電、耐水性強、機械強度高的異質膜。由于兩層材料的吸水速率和電光熱效應的不一致，該仿生異質膜材料兼具濕度、近紅外輻射和電刺激等響應性。可用于制造濕度傳感器、仿生人工手臂和仿生驅動馬達等器件。

技術領域

本發明屬于納米功能材料技術領域，特別涉及一種納米纖維素基仿生異質膜材料的制備方法。

背景技術

納米纖維素作為一種天然的高分子材料，已經在包裝領域、藥物緩釋、仿生材料等領域有所應用。還原氧化石墨烯是一種具有良好導電性的二維材料，在納米復合材料等領域具有廣泛的應用前景。

目前由納米纖維素和還原氧化石墨烯共混制備的復合材料是研究熱點之一。還原氧化石墨烯具有良好的導電性，但納米纖維素和還原氧化石墨烯共混復合制備自組裝膜的過程中會導致該復合材料的導電性變差。納米纖維素是一種絕緣的天然高分子，在混合制膜的過程中，由于納米纖維素摻雜在還原氧化石墨烯納米片中，阻礙了導電性良好的還原氧化石墨烯形成致密的導電網絡，從而導致材料的導電性的下降。同時，如果導電性良好的還原氧化石墨烯被大量摻雜至納米纖維素中，會導致復合膜的力學性能以及抗水性能的大大降低。如果只是簡單的將兩種材料各自成膜然后復合在一起，又會出現整體結構不穩定，遇水容易分層分離等，影響了材料在高濕度環境下的反復使用的耐久性；如額外添加粘合劑則具有增加操作復雜程度、引入了其他作為膠黏劑的試劑、提高了材料成本等缺點。目前，將納米纖維素和氧化石墨烯進行復合后再對材料中的氧化石墨烯進行溫和條件下的還原處理暫未見報道。現常用的還原條件如鐵還原、磺化還原、肼還原、電化學還原、氫碘酸還原等方式具有毒性較大、反應條件較為苛刻、容易破壞復合材料中納米纖維素層結構等缺點。

因此，為了解決以上問題，本發明以農林廢棄物生物質資源為原料，操作簡單，反應條件溫和，綠色環保，制備了可導電、高柔性、高機械強度、高耐濕度的納米纖維素基仿生異質膜。由于異質膜兩層材料的吸水速率不一致，該仿生異質膜材料兼具濕度、近紅外輻射和電刺激響應性。有望用于制造濕度傳感器、仿生人工手臂和仿生驅動馬達等器件，對于納米纖維素和還原氧化石墨烯仿生復合材料的制備具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米纖維素基仿生異質膜材料的制備方法。

本發明采用的技術方案包括一種納米纖維素基仿生異質膜材料的制備方法，其具體特征為：以農林廢棄物木質纖維素類生物質為原料，使用甲酸水解法制備含有木質素的納米纖維素。甲酸法制備的纖維素納米紙表面具有酯基，具有抗水性，即使長時間浸泡在水中，其結構都不會破壞。同時甲酸水解農林廢棄物的過程保留了大量木質素，木質素充當了粘合劑的作用。為了兼顧還原氧化石墨烯良好的導電性以及納米纖維素良好的力學性能，本發明用操作簡便的層層抽濾方式制備了氧化石墨烯和納米纖維素的復合膜，并將其在抗壞血酸溶液里還原處理，使得沒有導電能力的氧化石墨烯層被還原成了具有導電能力的還原氧化石墨烯層，從而獲得了電學特性。

通過該發明制備的纖維素基納米復合材料對近紅外光刺激、電刺激、濕度刺激具有明顯的響應效果。同時發現不同近紅外光能量密度刺激以及不同電流大小的電刺激等對該異質膜材料的驅動性能具有不同的影響。該異質膜復合材料可制備出仿生智能抓手實現了靈活的抓取、利用還原氧化石墨烯的電光熱轉化效果制備出仿生魷魚等器件。使用本發明制備的異質膜在水中具有良好的穩定性且不易脫層，在高濕度環境下具有良好的應用前景。本發明提供了一種利用農林廢棄物木質纖維素類生物質制備柔性仿生異質膜的新策略，具很好的經濟效益和環境效益。

本發明的優點是：

1、充分利用農林廢棄物中的木質纖維素類生物質，原料來源豐富，成本低廉，實現了農林廢棄物的高附加值利用。