[發明專利]一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110790751.8
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113524821B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 許民;孫浩;紀彤;畢紅杰;周欣圓
• 申請（專利權）人: 東北林業大學
• 主分類號: B32B21/14
• 分類號: B32B21/14;B32B21/13;B32B33/00;B32B37/06;B32B37/10;B32B37/00;B27K3/02;B27K3/20
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 趙君

本發明涉及一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料及其制備方法，屬于復合材料技術領域。為解決超高含量纖維素無法在聚合物中均勻分散的問題，本發明提供了一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料的制備方法，木材薄板經脫木素處理、TEMPO氧化處理后浸泡在無機離子溶液中，取出后冷壓得到纖維素膜，在纖維素膜表面涂覆一層聚合物，按相鄰兩層纖維素膜的纖維方向相互垂直將涂覆有聚合物的纖維素膜堆疊、熱壓得到復合材料。本發明使纖維素與聚合物仿生貝殼的“磚?泥”結構，得到的復合材料纖維素含量高達92.3～96.1wt.％，具有137～280MPa的拉伸強度和1.79～8.22MJ m^?3的高韌性。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，尤其涉及一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料及其制備方法。

背景技術

自然界中的貝殼由95％的文石片和5％的聚合物構成，其獨特的“磚-泥”交替疊層結構賦予有限的組分質輕、高強度和高韌性的卓越特性。木質纖維素是天然高分子聚合物，本身具有多級層級結構，包括纖維素基元纖絲以及尺寸更小的纖維素分子鏈。纖維素表現出2-6GPa的高拉伸強度和150GPa的高彈性模量，因此被作為增強相廣泛應用于復合材料力學強度的提高。

然而，纖維素表面含有大量的羥基，易于團聚，難以在聚合物中均勻分散，當纖維素含量在25wt.％時達到增強閾值。在聚合物里添加過高含量的纖維素反而會惡化復合材料的力學強度，一方面限制了纖維素纖維對復合材料的增強性能，另一方面減弱了纖維素/聚合物復合材料的綠色可持續性。

發明內容

為解決超高含量纖維素無法在聚合物中均勻分散的問題，本發明提供了一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料及其制備方法。

本發明的技術方案：

一種仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料的制備方法，木材薄板經脫木素處理、TEMPO氧化處理后浸泡在無機離子溶液中進行離子交聯，取出后冷壓得到纖維素膜，在所得纖維素膜表面涂覆一層聚合物，按相鄰兩層纖維素膜的纖維方向相互垂直將涂覆有聚合物的纖維素膜層層堆疊、熱壓得到仿貝殼結構的超高含量纖維素增強聚合物復合材料。

進一步的，所述木材薄板的厚度為0.2～2mm，所述木材為巴爾沙木、楊木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐或松木中的一種或多種的組合。

進一步的，所述脫木素處理是將木材薄板置于濃度為1～2wt.％的亞氯酸鈉溶液中浸泡4～12h，所述亞氯酸鈉溶液通過冰乙酸調控pH值為4.6，所述脫木素處理的反應溫度為80℃。

進一步的，所述TEMPO氧化處理是將脫木素處理所得樣品按質量體積比為1g:220mL加入TEMPO氧化處理液中，在60℃的條件下氧化反應24～48h；所述TEMPO氧化處理液包括體積質量比為100ml:0.016g:1.13g:10mL的0.1mol/L磷酸緩沖液、TEMPO、NaClO₂和0.1mol/L NaClO磷酸緩沖液。

進一步的，所述無機離子溶液的濃度為0.1mol/L，所述無機離子為Ca²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺或Mg²⁺中一種或多種的組合；所述浸泡為室溫下浸泡12h。

進一步的，所述冷壓的壓力為1～5MPa，冷壓溫度為室溫，冷壓時間為2～10h，所得纖維素膜的厚度為40～60μm。

進一步的，所述聚合物為環氧樹脂、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚酯樹脂中的一種或多種的組合，所述聚酯樹脂包括PET、PBT和/或PAR。

進一步的，在纖維素膜表面涂覆聚合物時，聚合物與纖維素膜的質量比為5:100；所述堆疊層數為10～50層。