[发明专利]一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。为解决超高含量纤维素无法在聚合物中均匀分散的问题，本发明提供了一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料的制备方法，木材薄板经脱木素处理、TEMPO氧化处理后浸泡在无机离子溶液中，取出后冷压得到纤维素膜，在纤维素膜表面涂覆一层聚合物，按相邻两层纤维素膜的纤维方向相互垂直将涂覆有聚合物的纤维素膜堆叠、热压得到复合材料。本发明使纤维素与聚合物仿生贝壳的“砖‑泥”结构，得到的复合材料纤维素含量高达92.3～96.1wt.％，具有137～280MPa的拉伸强度和1.79～8.22MJ m^‑3的高韧性。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

自然界中的贝壳由95％的文石片和5％的聚合物构成，其独特的“砖-泥”交替叠层结构赋予有限的组分质轻、高强度和高韧性的卓越特性。木质纤维素是天然高分子聚合物，本身具有多级层级结构，包括纤维素基元纤丝以及尺寸更小的纤维素分子链。纤维素表现出2-6GPa的高拉伸强度和150GPa的高弹性模量，因此被作为增强相广泛应用于复合材料力学强度的提高。

然而，纤维素表面含有大量的羟基，易于团聚，难以在聚合物中均匀分散，当纤维素含量在25wt.％时达到增强阈值。在聚合物里添加过高含量的纤维素反而会恶化复合材料的力学强度，一方面限制了纤维素纤维对复合材料的增强性能，另一方面减弱了纤维素/聚合物复合材料的绿色可持续性。

发明内容

为解决超高含量纤维素无法在聚合物中均匀分散的问题，本发明提供了一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案：

一种仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料的制备方法，木材薄板经脱木素处理、TEMPO氧化处理后浸泡在无机离子溶液中进行离子交联，取出后冷压得到纤维素膜，在所得纤维素膜表面涂覆一层聚合物，按相邻两层纤维素膜的纤维方向相互垂直将涂覆有聚合物的纤维素膜层层堆叠、热压得到仿贝壳结构的超高含量纤维素增强聚合物复合材料。

进一步的，所述木材薄板的厚度为0.2～2mm，所述木材为巴尔沙木、杨木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐或松木中的一种或多种的组合。

进一步的，所述脱木素处理是将木材薄板置于浓度为1～2wt.％的亚氯酸钠溶液中浸泡4～12h，所述亚氯酸钠溶液通过冰乙酸调控pH值为4.6，所述脱木素处理的反应温度为80℃。

进一步的，所述TEMPO氧化处理是将脱木素处理所得样品按质量体积比为1g:220mL加入TEMPO氧化处理液中，在60℃的条件下氧化反应24～48h；所述TEMPO氧化处理液包括体积质量比为100ml:0.016g:1.13g:10mL的0.1mol/L磷酸缓冲液、TEMPO、NaClO₂和0.1mol/L NaClO磷酸缓冲液。

进一步的，所述无机离子溶液的浓度为0.1mol/L，所述无机离子为Ca²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺或Mg²⁺中一种或多种的组合；所述浸泡为室温下浸泡12h。

进一步的，所述冷压的压力为1～5MPa，冷压温度为室温，冷压时间为2～10h，所得纤维素膜的厚度为40～60μm。

进一步的，所述聚合物为环氧树脂、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚酯树脂中的一种或多种的组合，所述聚酯树脂包括PET、PBT和/或PAR。

进一步的，在纤维素膜表面涂覆聚合物时，聚合物与纤维素膜的质量比为5:100；所述堆叠层数为10～50层。