[发明专利]纳米纤维素制造过程中的疏水改性工艺

说明书

本发明公开了改性纳米素颗粒，包括纳米素颗粒、覆盖颗粒的粘接剂以及附着在粘接剂涂层上的烷基胺。一种纳米纤维素颗粒的改性方法，包括向水中的纳米纤维素颗粒浆料中添加粘合剂和疏水剂，用粘合剂和疏水剂对纳米纤维素颗粒进行改性，以及收集改性纳米纤维素颗粒。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月30日提交的第62/773,649号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及纳米纤维素制造过程中的疏水改性工艺。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以构成现有技术或者可以不构成现有技术。

复合材料包括多种材料，这些材料优选地结合以协同产生优于起始材料的性能。特别地，纳米复合材料是由分散在基质材料中的纳米颗粒配制，这些颗粒的尺寸通常至少有一个维度小于1000nm。给定材料的纳米颗粒可以具有机械、热、电和光学特性以及其它特性，而这些特性不同于纳米颗粒材料的基体材料，这是因为与基体材料相比，纳米颗粒每单位体积的表面积增加了。因此，小于重量百分比5％的纳米颗粒添加量足以改变基质材料的性能。

纳米纤维素就是这样一种纳米颗粒。例如，纳米纤维素可以以纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维的形式存在。纳米纤维素颗粒因其相对较高的比强度、相对较低的密度以及自然丰度而被认为是一种可行的增强材料候选物。表1提供了纤维素纳米晶体性能与其他增强材料的对比，所述其他增强材料包括铝、玻璃、钢、多种形式的碳和通常以商品名KEVLAR提及的聚(对苯二甲酰对苯二胺)。

表1.各种增强材料的性能

ρ＝密度，σ_f＝抗张强度(Tensile Strength)，E_A＝轴向弹性模量，E_T＝横向弹性模量。

虽然与例如铝、玻璃、钢、碳和其他纳米增强剂相比，纳米纤维素的制备能量相对较低，但其通常以浆料形式获得。然而，包括挤出和成型在内的许多制造工艺不容易适用于湿法工艺，而且这些工艺可能不容易或不廉价地与纳米纤维素的液体分散体一起使用。此外，纳米纤维素在水中的散装运输可能比固体、粉末形式的运输经济性要低。

另一方面，以粉末形式提供纳米纤维素的干燥方法，例如喷雾干燥、冷冻干燥或其他干燥方法，可能导致形成尺寸为纳米级(测量为500nm至1,000nm)和尺寸为微米级(测量为1μm至100μm)的纳米纤维素聚集体。在某种程度上由于表面力和氢键合的作用，这些聚集体一旦形成就难以机械破碎，使得纳米分散难以实现。

除上述内容外，许多聚合物基质本质上是相对疏水的。这些聚合物基质的疏水性增加了将纳米纤维素分散在基质中的难度。由于聚集体的形成所导致的分散性的降低、一些基质的疏水性或两者的结合可能降低纳米纤维素添加物的有效性。

因此，虽然纳米纤维素分散体可以在一定程度上实现其预期目的，但是需要提供一种新型改进的纳米颗粒，特别是改性的纳米纤维素颗粒的工艺。改性的纳米纤维素颗粒可以改善纳米纤维素在疏水性基质中的分散性，进而改善纳米复合材料的性能。

发明内容

根据几个方面，本公开涉及疏水改性纳米纤维素颗粒的方法。所述方法包括向水中的纳米纤维素颗粒浆料中添加粘合剂和疏水剂，以及用粘合剂和疏水剂对纳米纤维素颗粒进行改性。所述方法还包括将浆料的pH值调节至7.5至9的范围内。所述方法还包括收集改性的纳米纤维素颗粒。

另一方面，浆料中存在的纳米纤维素颗粒在0.5％固体重量至15％固体重量范围内。

另一方面，所述疏水剂为烷基胺。

又一方面，将烷基胺按纳米纤维素重量的0.5至5倍的量添加至浆料中。