[发明专利]一种纤维素/纳米氮化硅复合膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维素/纳米氮化硅复合膜的制备方法，属于聚合物基复合材料的技术领域。

背景技术

近年来，随着纤维素溶解技术的发展，纤维素多孔材料如气凝胶、多孔膜和多孔纤维等引起了人们的极大兴趣。基于材料的多孔结构特性，交叉结合纳米科学、材料学、生物学、物理学及仿生学等学科，利用共混法、溶胶-凝胶法、插层法、模板组装法和仿生矿化等方法，将纤维素自身的优异性能与无机纳米材料的功能性进行优势结合，构筑结构稳定、功能性明确、环保可降解的纤维素/无机粒子复合材料，正在成为国内外的研究热点。如纤维素多孔材料与二氧化硅、碳酸钙、蒙脱土、金属、金属氧化物、稀土等纳米粒子复合，赋予其仿生、导电、导磁、化学催化、抗菌、生物传感、更高隔氧性、光学等功能，极大了提高了纤维素多孔材料的附加值，拓展了纤维素材料的应用范围。目前，对纤维素/无机粒子复合材料的研究一方面致力于研究新的复合体系，开发新的功能材料；另一方面则主要集中于对纤维素或无机纳米粒子的表面改性，以此增加纤维素多孔材料的负载能力，减少无机粒子在纤维素多孔结构里的团聚、提高无机粒子和纤维素基体的相容性，实现更好地发挥材料功能性的目的。

纳米Si₃N₄作为一种重要的陶瓷材料，本身具有优异的机械性能，化学稳定性，导热性、耐磨性、介电性能和紫外线反射性能，在许多领域已经有广泛的应用。当前对氮化硅的研究大部分涉及纳米氮化硅和氮化硅膜材料的制备、成型和烧结工艺优化，以及氮化硅和其他无机材料混合制备复合陶瓷；而将纳米氮化硅应用于聚合物方面的研究和应用的报道较少。

但纳米氮化硅，尤其是经表面改性和修饰的纳米氮化硅与多孔纤维素复合制备功能复合膜的研究和应用未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维素/纳米氮化硅复合膜的制备方法。该膜除具有优于一般再生纤维素膜的力学性能，还有较高的导热率和对紫外线的反射率。本方法简单可行，易于操作。制备的复合膜可以在产品包装、功能性可降解材料等领域广泛应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纤维素/纳米氮化硅复合膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)对纳米氮化硅表面进行修饰处理，在其表面接枝部分醇解的聚醋酸乙烯酯链；

(2)将质量分数为0.16％-0.8％的改性纳米氮化硅粒子加入去离子水中，经机械搅拌、超声处理使之形成均匀透明的水悬浮液；

(3)在改性纳米氮化硅的水悬浮液体系中加入一定的碱和脲，按照碱/尿素/水的特定质量比配制纤维素溶剂；

(4)在含有改性纳米氮化硅的碱/尿素/水溶液体系中加入纤维素，控制其质量分数为4.5％，再置于-20℃的冰箱中冷冻过夜。取出解冻，强烈的机械搅拌得到分散有氮化硅的纤维素溶液；

其中纤维素化学浆、人纤浆、棉花、微晶纤维素或α-纤维素中的一种。改性纳米氮化硅和纤维素的质量比为1∶49-1∶9。

(5)将含有改性纳米氮化硅和纤维素的碱/尿素/水溶液离心脱除气泡之后，采用溶胶-凝胶法将纤维素溶液在凝固浴中成膜，水洗去除残留溶剂，室温干燥得到纤维素/纳米氮化硅复合膜。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的经表面接枝部分醇解的聚醋酸乙烯酯链的纳米氮化硅可以在水中形成透明均匀的分散体系，改性纳米氮化硅和纤维素的相互作用较强，无机纳米粒子含量较高时，在复合膜中仍能较均匀地分散；

(2)本发明提供的复合膜的力学性能优良，应力-应变分析表明，当氮化硅质量分数为8％时，复合膜的拉伸强度达到116.7MPa，杨氏模量为6.5GPa，断裂伸长率为7.4％；当氮化硅质量分数为10％时，复合膜的拉伸强度达到112.9MPa，杨氏模量为6.9GPa，断裂伸长率为4.3％；复合膜的综合力学性能均优于再生纤维素薄膜；

(3)本发明制备的复合膜的透明性良好，氮化硅质量分数为10％时，可见光敏感波长550nm处透过率仍达到60.6％(膜厚为0.06mm)；

(4)本发明获得的复合膜具有一定的功能性，氮化硅质量分数为10％时，复合膜导热系数为0.1203W/m·k，380nm处的紫外反射率为40.2％(膜厚为0.06mm)；

(5)本发明提供的制备简单可行，易于操作，拓宽了纳米氮化硅的应用领域，赋予了再生纤维素膜新的功能性，制备的复合膜可以在产品包装、功能性可降解材料等领域广泛应用。

附图说明