[发明专利]一种基于微流体组装高强度纳米纤维素纤维的制备方法

说明书

本发明公开一种基于微流体组装高强度纳米纤维素纤维的制备方法，包括分别配制纳米纤维素晶须溶液和盐酸溶液；将纳米纤维素晶须溶液注入微流体纺丝模具中间的主流通道，盐酸溶液注入微流体纺丝模具两个侧边的鞘流通道，在三个通道的交汇处形成连续的纤维，最后流入凝固浴中清洗、干燥，获得高强度纳米纤维素纤维；本发明通过使用微流体纺丝装置，利用微流体的流聚焦作用调控纳米纤维素晶须高度取向，并通过纺丝过程中离子交联作用，组装高强度纳米纤维素纤维，显著提高纳米纤维素纤维的拉伸强度和拉伸应变。

技术领域

本发明涉及纳米纤维素纤维技术领域，具体涉及一种基于微流体组装高强度纳米纤维素纤维的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子材料，为我们提供了多种纳米原纤维，由于其生物相容性、可再生性以及多功能性等，这些纳米原纤维构成了许多具有优异机械性能的纳米结构生物材料的基本元素，作为生物基材料的基础材料具有巨大的潜力。纳米纤维素晶须(CNC)为针状纤维素晶体，长几百纳米，宽几十纳米(具体取决于纤维素的来源)，可以通过纤维素酸水解获得。作为纤维素的衍生物，CNC具有许多优点，例如比表面积大，表面活性强，优秀的力学性能，高抗张强度(7.5-7.7GPa)，高弹性模量(轴向和横向分别为110–220和10–50GPa)，生物高聚物增强材料等，其均匀的分散液具有适当的流动性与粘度，具备优秀的可纺性。

目前，微流体纺丝技术广泛用于微纳米纤维纺丝，能够很好地控制、制备不同尺寸、形状的纤维丝。微流体纺丝技术是通过使用具有一定粘度的纺丝液，经过特定的微流体通道流动聚焦，通过层流和扩散的特性控制并制备不同尺寸、形状的纤维丝，可在常温常压下制备，具有无高压电流、安全、操作简单等优势。KMOH等人(2019，DOI：10.1002/admt.201800557)通过使用五通道的微流体芯片基于微流体流聚焦的连续湿法纺丝工艺，首次实现了CNC纤维的湿法纺丝，但是其拉伸强度在160MPa左右，拉伸应变在2％左右，拉伸强度和拉伸应变均有待进一步提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于微流体组装高强度纳米纤维素纤维的制备方法，通过使用微流体纺丝装置，利用微流体的流聚焦作用调控纳米纤维素晶须高度取向，并通过纺丝过程中离子交联作用，组装高强度纳米纤维素纤维。

本发明提供一种微流体纺丝模具，包括位于中间的主流通道和位于所述主流通道两侧的两个鞘流通道，两个所述鞘流通道与主流通道的轴向截面的交汇点位于不同平面，两个所述鞘流通道与主流通道的径向截面的交汇点位于同一平面；错层的鞘流结构一方面对主流的冲击减小，另一方面可以使主流进行一定角度的扭转来提高纤维的机械性能。

进一步地，两个所述鞘流通道与主流通道位于轴向截面的夹角为θ，其中0°＜θ≤90°；夹角的存在可以给主流流动方向给予一定的速度，使主流中的纤维素进行更好的拉伸。

进一步地，θ为60°。

进一步地，每个所述鞘流通道的横截面为所述主流通道的横截面积的3/10；

进一步地，所述主流通道为1mm*1mm的正方形通道，所述两个鞘流通道分别为0.3mm*1mm的矩形通道。

本发明还提供一种微流体组装高强度纳米纤维素纤维的制备方法，利用上述的微流体纺丝模具制备高强度纳米纤维素纤维，具体包括以下步骤：

(1)分别配制纳米纤维素晶须溶液和盐酸溶液；

(2)高强度纳米纤维素纤维的制备：将纳米纤维素晶须溶液注入微流体纺丝模具中间的主流通道，盐酸溶液注入微流体纺丝模具两个侧边的鞘流通道，在三个通道的交汇处通过表面电荷控制凝胶转变制备，在与流体动力诱导的原纤维对准，形成连续的纤维，最后流入凝固浴中清洗、干燥，获得高强度纳米纤维素纤维。

进一步地，所述纳米纤维素晶须溶液的浓度为0.5wt％-1.3wt％，所述盐酸溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L，所述凝固浴为水。