[发明专利]一种纳米纤维素复合填料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于功能复合材料领域，公开了一种纳米纤维素复合填料及其制备方法与应用。包含以下步骤：用硅烷偶联剂R对纳米纤维素CNF进行接枝改性，得到表面接枝硅烷偶联剂的纳米纤维素CNF‑R；然后将CNF‑R、聚二元醇分别分散在水中，分别得到CNF‑R的悬浮液和聚二元醇水溶液，经混合，蒸发溶剂、干燥，得到纳米纤维素复合填料。本发明利用硅烷偶联剂的硅醇基团和纳米纤维素羟基脱水进行缩聚，减少羟基数量，有效调控CNF表面极性，提高了它在聚合物中的疏水性和分散性，随后在外层包覆具有增塑、增容效果的聚丙二醇PPG，使CNF‑PPG填料在聚合物共混体系中均匀分散，同时借助外层的PPG改善基体两相间的相容性。

技术领域

本发明属于功能复合材料领域，涉及一种纳米纤维素复合填料及其制备方法与应用。

背景技术

聚合物共混是将两种或以上不同结构的聚合物在一定条件下进行混合，从而实现提高聚合物性能的方法。在实际应用中，人们通常会在共混体系中加入某些特定的增强填料，制备聚合物基复合材料。这种复合材料不但能够降低成本，还具备某些特殊的性能，如机械性能、热稳定性能、抗酸碱性、抗氧化性等。在聚合物共混体系中，界面相容性是决定复合材料性能的重要因素，包括不同聚合物体系间的界面相容性以及聚合物与增强填料间的界面相容性。

纤维素主要来源于植物中，是大自然中一种可再生的材料。近年来，随着国家、社会不断倡导发展可循环经济，研究人员将纤维素这种成本低、易制取、可降解的绿色资源作为研究开发的重点。纤维素纳米纤维(CNF)就是其产品之一，具有高透明、高结晶、低密度以及良好的生物降解和相容性等特点，因此作为纳米填料在共混体系中被广泛使用。但是CNF表面含有丰富的羟基，并且极性高、比表面积大，因此属于亲水性填料，粒子间常因氢键相互作用发生团聚，无法在聚合物基体中均匀分散。

硅烷偶联剂是一种对能填料进行表面处理的化学试剂，主要结构为R-SiX₃，R代表与聚合物分子有亲和力或反应能力的基团，为亲有机聚合物基团；X代表能水解的烷氧基，为亲无机填料基团。它可以通过水解接枝在填料表面，从而调控填料表面极性，增强它的疏水性能，改善其在聚合物中的分散性。朱艳^[1-2]等((1)朱艳,张奇锋,贾仕奎,赵中国,陈立贵,曹乐.表面改性CNF对PBS/PLA共混物的湿热老化行为的影响[J].中国塑料,2019,33(12):16-22；(2)朱艳,曹乐,贾仕奎,张奇锋,赵中国,陈立贵.表面改性CNF对PLA/TPU共混物的结晶与力学性能的影响[J].塑料,2021,50(02):23-28)使用KH550改性CNF后，CNF-KH550填料在基体间的分散性、相容性有所增强，但PLA与PBS及TPU聚合物之间，相分离程度依旧较为明显。

当前，大部分对共混体系的研究集中在填料的表面改性，或者简单加入增塑、增容剂对聚合物基体的相容性的改性，但是上述方法存在填料分散不均匀和聚合物基体间相容性差的问题。因此，亟待寻找一种新的方法，同时实现填料在聚合物基体中既有良好的分散性，又能改善基体间的相容性，才能使聚合物基复合材料走向实际应用。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种纳米纤维素复合填料的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述方法制备得到的纳米纤维素复合填料。

本发明的再一目的是提供上述纳米纤维素复合填料的应用。

本发明根据分子设计思路，使用硅烷偶联剂水解后的硅醇基团和纤维素纳米纤维(CNF)的羟基反应，改善CNF的表面极性，提高它在聚合物基体中的分散性，再包覆一层具有增塑、增容性能的PPG，从而制备得到能改善聚合物共混体系相容性的CNF-PPG纳米填料，涉及在纳米纤维素表面进行接枝和吸附相结合的改性方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种纳米纤维素复合填料的制备方法，包括以下步骤：