[发明专利]一种纤维素纳米晶体/静电纺纳米纤维过滤膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维素纳米晶体/静电纺纳米纤维过滤膜的制备方法，属于纳米功能材料技术领域。

背景技术

过滤是实现固液分离的有效手段，其主要目的是去除水中的悬浮颗粒物。静电纺丝技术制备的聚合物膜材料具有孔径小、孔隙率高(可达80％，甚至更高)、孔的连通性好、膜表面粗糙度高及低克重等优点，因而与传统的过滤膜相比，静电纺纳米纤维膜应用于液体过滤有两大突出优势：其一是过滤效率高，电纺纤维膜与常规纤维过滤膜相比，过滤效率可提高70％；其二是水通量大。有研究表明，静电纺纤维膜可实现对尺寸在纤维平均直径三倍以上的颗粒的有效过滤。

专利CN1562441A公开了一种夹心式纳米/亚微米电纺丝基过滤材料的制备方法，只能对尺寸在几百纳米到数微米之间颗粒进行90％以上有效过滤，而无法实现对直径200nm以下粒子的有效拦截。

专利CN1421267A公开了一种采用甲壳素涂层聚合物平铺膜的过滤材料，由于使用的原料为甲壳素，原材料来源相对狭窄。相比之下，纤维素纳米晶体(Cellulose Nanowhiskers)是一种从天然纤维素纤维中分离出来的直径在1～100nm之间的具有颗粒状、棒状(针状)或丝状结构的纳米材料。因具有可再生、高强度、高弹性模量、高比表面积、低成本、可生物降解、纳米级精细尺度等优点而受到了尤为广泛的关注。如何以简单的工艺，制备具有良好均匀尺寸结构且能够实现对尺寸在200nm以下颗粒有效过滤的纤维过滤膜，是目前纤维过滤材料制备技术中亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单方便且能有效过滤的纤维过滤膜的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素纳米晶体/静电纺纳米纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：在20～80℃水浴温度条件下，将1～20重量份的纤维素纤维粉末浸泡于盛有50～200重量份的质量浓度为8～20％的氢氧化钠溶液搅拌釜中，搅拌转速为100～300rpm，搅拌时间为30～300min；然后水洗至中性，再放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为6～12h，得到碱处理的纤维素纤维粉末；

第二步：在40～80℃水浴温度条件下，将第一步得到的碱处理的纤维素纤维粉末加入到盛有二甲基亚砜的搅拌釜中，纤维素纤维粉末与二甲基亚砜的质量比为1∶20～50，搅拌转速为100～500rpm，搅拌时间为1～6h；然后过滤，用蒸馏水洗脱残留的二甲基亚砜，再放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为6～12h，得到预处理的纤维素纤维粉末；

第三步：在4～65℃水浴温度条件下，将第二步得到的预处理的纤维素纤维粉末加入到盛有TEMPO(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基)催化体系的搅拌釜中，调节pH值至恒定后加入无水乙醇终止反应，得到纤维素纤维悬浮液；

第四步：将第三步得到的纤维素纤维悬浮液置于高速离心机中进行离心，离心速度为1000～5000rpm，离心时间为5～30min，倒去上层清液，重复加蒸馏水、离心、倒去上层清液3～5次，直至悬浮液的pH值至中性，得到纤维素纤维沉淀物；

第五步：取1～10重量份第四步得到的纤维素纤维沉淀物加入到100～1000重量份蒸馏水中，于4～20℃水浴中，经过机械处理，得到质量浓度为0.05％纳米纤维素晶体悬浮液；

第六步：在20～80℃水浴条件下，将2-50重量份的聚合物加入到溶剂中，搅拌转速为500～1200rpm，搅拌时间为3～10h，均匀混合，得到聚合物质量浓度为5～35％的聚合物溶液；

第七步：在室温和相对湿度为30～70％的条件下，将第六步得到的聚合物溶液以0.3～4mL/h的流速输入到静电纺丝设备的喷丝头上，同时将喷丝头连接10～40kV电源进行静电纺丝制备纳米纤维膜，接收装置与喷丝头之间的距离为10～35cm；

第八步：在第七步所得的纳米纤维膜外部均匀涂布第五步制备的纳米纤维素晶体悬浮液，再复合一层第七步所得的纳米纤维膜，重复以上步骤3～5次，放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为6～12h，得到纳米纤维素晶体/静电纺纳米纤维过滤膜。

优选地，所述第一步中的纤维素纤维为棉短绒、木浆纤维、麦秆纤维、稻草秸秆纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维、青麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维、罗布麻纤维和槿麻纤维中的任意一种。