[发明专利]一种耐水、透明纤维素基薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐水、透明纤维素基薄膜及其制备方法，属于纤维素基薄膜的防水领域。具体制备方法如下：（1）将纳米纤维素分散体或纤维素衍生物溶液通过高分子溶胶浇铸法或真空过滤制备成透明纤维素基薄膜；（2）再将步骤（1）中的透明纤维素基薄膜浸渍于纯冰乙酸中，在超声作用下进行离子交换反应；之后将反应后的纤维素基薄膜用有机溶剂进行清洗，获得耐水、透明纤维素基薄膜。在水中浸泡24~72 h，其吸水率介于25~35%，厚度增大12~15%，长度和宽度增大4~8%，湿抗张强度15~30 MPa，在可见光区透光率介于90~91%之间。本发明涉及的耐水处理工艺不仅简单，而且保留了薄膜优异的透明度。

技术领域

本发明属于造纸技术领域，尤其涉及一种耐水、透明纤维素基薄膜及其制备方法。

背景技术

日益严重的能源危机和环境问题，迫使科学家寻找可再生的材料来替代现有的基于石油的合成材料。纤维素是地球上最古老、最丰富的天然聚合物，通过机械、化学、生物等方法处理纤维素能获得不同性能的纤维素产品或纤维素衍生物，由其制备得到的透明纤维素基薄膜在食品、能源、材料、化工等领域具有重要应用。然而，纤维素基薄膜在实际应用中面临的一个主要挑战是其较强的亲水性能，在潮湿环境中或者遇水的情况下，薄膜的优异性能受到严重破坏。[Benítez A J, Torres-Rendon J, Poutanen M, et al. Humidityand multiscale structure govern mechanical properties and deformation modesin films of native cellulose nanofibrils[J]. Biomacromolecules, 2013, 14(12):4497-4506.]。因此，提高透明纤维素基薄膜的耐水性在实际应用中具有重要作用。

目前，提高柔性透明纤维素基薄膜耐水性的方法主要有：化学改性、表面吸附、交联作用。例如通过对纳米纤维素进行乙酰化改性，提高纳米纸的耐水性。[Yagyu H, IfukuS, Nogi M. Acetylation of optically transparent cellulose nanopaper for highthermal and moisture resistance in a flexible device substrate[J]. Flexibleand Printed Electronics, 2017, 2(1): 014003.] 但是对纤维素分子进行改性来疏水性的同时降低了纤维的结晶度，进而影响薄膜的机械性能。相对于使用大量化学试剂的化学改性，物理吸附通过简单的静电吸附作用，在纤维表面沉积阳离子疏水物质，形成疏水层，使纤维素薄膜获得良好的耐水性能。将不同种类的烷基季铵盐吸附于TEMPO工艺制备的纳米纤维素表面羧基基团上，并采用浇铸的方法制备出疏水的纤维素薄膜。[Shimizu M,Saito T, Fukuzumi H, et al. Hydrophobic, ductile, and transparentnanocellulose films with quaternary alkylammonium carboxylates on nanofibrilsurfaces[J]. Biomacromolecules, 2014, 15(11): 4320-4325.] 吸附作用虽然不会破坏纤维结构，但疏水表面活性剂的引入可能会阻碍纤维间氢键的形成，制备薄膜的机械性能较差。使用低浓度的聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）与纳米纤维素混合制备薄膜，然后将薄膜浸泡在PAE水溶液中，使得PAE交联剂充分扩散到纤维素膜内部发生交联作用，从而薄膜获得高耐湿性。[Yang W, Bian H, Jiao L, et al. High wet-strength, thermally stableand transparent TEMPO-oxidized cellulose nanofibril film via cross-linkingwith poly-amide epichlorohydrin resin[J]. RSC Advances, 2017, 7(50): 31567-31573.] 高价金属离子与纤维素纤维进行化学交联，[Shimizu M, Saito T, Isogai A.Water-resistant and high oxygen-barrier nanocellulose films withinterfibrillar cross-linkages formed through multivalent metal ions[J].Journal of Membrane Science, 2016, 500: 1-7.]，或与壳聚糖进行物理交联[ToivonenM S, Kurki-Suonio S, Schacher F H, et al. Water-resistant, transparent hybridnanopaper by physical cross-linking with chitosan[J]. Biomacromolecules,2015, 16(3): 1062-1071.]，能有效提高纳米纤维素膜的耐水性，但交联作用工艺复杂、耗时。