[发明专利]强纳米纸

说明书

技术领域

本发明涉及强纳米纸、其用途和制备所述纳米纸的方法。

背景技术

砖坯是一种稻草和粘土的富含粘土的混合物，其已经被用作几千年来人们用于躲避风雨的建筑材料。对于这种建筑复合材料，粘土提供了对于光、雨和热的良好阻隔性能，并且纤维质稻草提供了强度和耐久性，这防止裂化、增加了其的绝缘性并且使得其更轻。

在自然界，有许多具有这种聚合物-陶瓷颗粒复合结构的有机物。通常，它们具有优良的强度和韧度。例如，来源于鲍鱼壳的具有1-5%蛋白质和霰石的珍珠母取决于其水合状态具有140-170MPa的拉伸强度、60-70GPa的杨氏模量，和350-1240J·m^-2的三点弯曲。结果，迄今已经报导了许多方法来模拟珍珠母的“砖和砂浆”结构，包括连续沉积、超分子自组装(浸涂)、在自组装的层上结晶、在Langmuir单层下方结晶、逐层自组装和浇铸方法等。最好的结果被Tang等实现，其通过将载玻片交替地浸入聚电解质和粘土小片状体(clay platelet)悬浮液中制得具有约5μm厚度的超强复合层。然而，该方法真正需要长的组装时间，因为每次循环沉积约24nm。近年来，Tang等开发了被称为“指数生长”LBL的新方法。缩短了自组装时间，但其仍然花费1000min获得具有200μm厚度的膜。F.Mizukami等使用浇铸方法制备具有3-200μm厚度的柔性透明粘土膜。制备显著简化以及膜具有良好的耐热性和高的气体阻隔性。然而，材料的拉伸强度仅为25MPa。对于这种粘土膜的进一步应用，弱的强度将是阻碍。由于水缓慢蒸发，因此浇铸方法仍然是费时的方法。难以以便利的方式复制珍珠母的砖和砂浆微结构。

如已知的，在珍珠母的情形中，只有1-5%的蛋白质充当粘合剂添加剂。对于人造珍珠母，使用水溶性聚合物(WSP)例如聚电解质、聚合物钠盐或PVOH作为粘合剂添加剂，代替天然珍珠母中的蛋白质。在WSP与无机粘土小片状体之间有强的静电或氢键相互作用。然而，与珍珠母中发现的低蛋白质含量相反，通常在人造珍珠母中使用的WSP的含量多于50wt%。另外，现今使用的大多数WSP是非生物降解的，并且WSP还具有差的耐水性或耐溶剂性。

发明内容

本发明涉及强的粘土/MFC纳米纸、制备其的方法及其用途。本发明的纳米纸具有独特并且重要的结构，其中MFC和本身具有层状结构的粘土基本平行于纸表面排列。粘土颗粒或小片状体在纳米范围内并且MFC的纳米纤维的长度在微米范围内，赋予纳米纸其独特的性能。另外，粘土颗粒或小片状体优选基本彼此分离。

本发明的一个方面涉及包含粘土和微原纤化纤维素纳米纤维(microfibrillated cellulose nanofibre)的纳米纸，其中MFC纳米纤维和成层的粘土基本平行于纸表面取向。

在本发明的一个实施方案中，粘土包含在纳米范围内的颗粒。

在另一实施方案中，微原纤化纤维素纳米纤维的长度在5-20μm的范围内。

在另一实施方案中，微原纤化纤维素的量多于10wt%，或多于20wt%，或多于40wt%，但少于50wt%，或少于35wt%，或少于25wt%。

在再一实施方案中，粘土的量多于10wt%，或多于40wt%，或多于60wt%，但不多于90wt%，或少于80wt%，或少于50wt%，或少于30wt%。

在再一实施方案中，纳米纸进一步包含水溶性交联剂。

在再一实施方案中，交联剂的量多于5wt%，或多于20wt%，或多于35wt%，但不多于50wt%，或少于40wt%，或少于25wt%；基于纳米纸的总重量。

在再一实施方案中，使用100N负荷传感器(load cell)并且在5fbs的帧频下，对于40mm长、60-80μm厚和5mm宽的样品，纳米纸的拉伸应力为至少30MPa；并且其中测试在50%湿度下和在23℃下进行。

在再一实施方案中，所述纸由微原纤化纤维素和粘土组成。

本发明的另一方面涉及包含根据本发明的纳米纸的涂层。

本发明的另一方面涉及一种制备粘土-微原纤化纤维素纳米纤维纳米纸的方法，其包括：

－制备粘土和微原纤化纤维素纳米纤维的悬浮液

－混合所述悬浮液

－过滤所述悬浮液

－获得或形成所述经过滤的悬浮液的膜

－干燥所述膜。

在一个实施方案中，所述悬浮液包含至多2wt%微原纤化纤维素，优选浓度为0.5-2wt%，或者0.6-1.6wt%。