[发明专利]使用纳米原纤纤维素凝胶制造结构化材料的方法

说明书

本发明涉及一种制造结构化材料的方法以及通过此方法获得的结构化材料。

在诸多技术领域中，使用材料混合物来控制或改良产品之某些性质。所述材料掺合物可例如呈松散混合物之形式或呈复合结构之形式。

复合材料基本上为两种或更多种材料之组合，其各保留其自身独特之性质。所得材料具有不为单独组分之特征的特征。最一般而言，复合材料具有称作基质之连续体相（bulk phase）；及称作强化物之分散不连续相。基本复合物的一些其他实例包括混凝土（水泥与砂及骨料混合）、强化混凝土（含钢筋之混凝土）及玻璃纤维（含玻璃丝束之树脂基质）。

以下为某些应用选择复合物之一些原因：

-高强度与重量比（低密度高拉伸强度）

-高蠕变抗性

-高温下的高拉伸强度

-高韧性。

典型地，强化材料具高强度，而基质通常为延性或韧性材料。若复合物经适当设计及制造，则其可组合强化物的强度与基质之韧性而获得任何单一常规材料中不能提供之所要性质之组合。举例而言：聚合物/陶瓷复合物之模数大于聚合物组分，但不如陶瓷般易碎。

因为强化材料在复合物之强化机制中极具重要性，故宜根据强化物之特征对复合物加以分类。常使用以下三种类别：

a）“纤维强化型”，其中纤维为主要载荷承受组分。

b）“粒子强化型”，其中基质及粒子分担载荷。

c）“分散加强型”，其中基质为主要载荷承受组分。

d）“结构复合物”，其中性质取决于各成份及几何设计。

一般而言，复合物的强度主要取决于树脂中纤维（或粒子）强化物的量、排列及类型。另外，复合物通常用可改变加工或性能参数之填料及添加剂调配。

因此，在先前技术中一般已知可组合不同材料以获得具有改良性质或能够控制其所应用之材料的某些性质的材料，且仍需要如下材料，所述材料允许定制式控制材料特征以及考虑其成本效率及环境顺应性。

此方面之重要领域为制备结构化材料及其性质。

结构化材料的一个实例为纸，在其制造过程中组合多种不同材料，所述材料各自可能积极或消极地影响其他组分或最终纸之性质。

纸制造及表面加工领域中最常用之添加剂集合之一为填料，其在纸中具有数种有利功能。举例而言，出于不透明度或通过填充纤维之间的空隙提供平整表面之原因而使用填料。

然而，对可添加至纸中的填料的量存在限制，因为常规纸中填料的量增加会在强度与光学性质之间造成相反关系。

因此，常规纸可含有一定量之填料，但若填料含量过高，则纸之机械性质将显著降低。

已提出数种方法来改良此关系及制造高度填充且具有良好光学以及机械性质之纸，但仍需要允许比通常所用更高之填料含量而不基本上削弱纸强度的造纸方法。

搜寻控制结构化材料或含所述结构化材料之产品的性质的方法，发现包含碳酸钙之特殊纳米原纤纤维素凝胶可能有用。

纤维素为绿色植物初生细胞壁之结构组分且为世界上最常见之有机化合物。其在诸多应用及行业中倍受关注。

作为原材料的纤维素纸浆自木头或植物（诸如大麻、亚麻及马尼拉麻（manila））之茎加工出来。纸浆纤维主要由纤维素及其他有机组分（半纤维素及木质素）形成。纤维素大分子（由1-4糖苷连接之β-D-葡萄糖分子构成）由氢键连接在一起形成所谓的初级原纤维（primary fibril）（微胞），其具有结晶及非晶形域。数个初级原纤维（约55个）形成所谓的微原纤维。约250个这些微原纤维形成原纤维。

原纤维排列于不同层（其可能含有木质素和/或半纤维素）中形成纤维。各纤维亦由木质素结合在一起。

当纤维在外加能量下精制时，其随着细胞壁破裂变得原纤化且分裂成连接之条带，亦即成为原纤维。若此分裂继续而使原纤维与纤维主体分离，则释放原纤维。纤维分解成微原纤维称作“微原纤化”。此过程可继续进行直至无纤维剩余且仅剩纳米尺寸（厚度）之原纤维。

若该过程继续进行，且使这些原纤维分解成愈来愈小之原纤维，则其最终变为纤维素片段或纳米原纤凝胶。视此最终步骤之进行程度而定，纳米原纤凝胶间可剩余一些纳米原纤维。分解成初级原纤维可称作“纳米原纤化”，其中两种状态之间可能存在平稳过渡。初级原纤维在水性环境中形成凝胶（初级原纤维之介稳网状结构），其可称作“纳米原纤凝胶”。可认为由纳米原纤维形成的凝胶含有纳米纤维素。

纳米原纤凝胶为所要的，因为其通常含有被认为部分由纳米纤维素构成的极精细原纤维，相较于不如此精细或不展现纳米纤维素结构之原纤维，其展示较强的与自身或与存在之任何其他材料结合之潜力。