一种高透明超平滑纳米纸及其快速制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高透明超平滑纳米纸及其快速制备方法，属于绿色环保纳米材料及造纸技术领域。制备方法如下：1）以植物纤维为原料，经化学预处理和机械处理制备纳米纤维素分散液；2）将薄膜材料紧密贴合在平底硬质容器的底部，制备纳米纤维素分散液的铸膜容器；3）将纳米纤维素分散液均匀的倾倒于铸膜容器表面；4）将盛有纳米纤维素分散液的铸膜容器放置于恒温恒湿箱中铸膜干燥，制备纳米纤维素/薄膜复合材料；5）将纳米纤维素/薄膜复合材料中的薄膜材料剥离，制得高透明超平滑的纳米纸。相比于其他高透明超平滑纳米纸制备方法，本发明专利技术的制备方法制备工艺简单，耗时短，所制备的纳米纸透明度高、表面粗糙度低、抗张强度高、平整度高等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及绿色环保纳米材料及造纸
，具体涉及一种高透明超平滑纳米纸及其快速制备方法。
技术介绍
纳米纸是由纳米纤维素分散体组成的薄膜材料。近年来，因其独一无二的特性展现了其在柔性电子器件领域的应用前景。各种以纳米纸为衬底材料制备的柔性电子器件如电极，场发射晶体管，有机太阳能电池以及天线相继见诸报端，引起了政府、科研机构与企业的广泛关注。但是，纳米纤维素一维的纳米尺寸以及高保水值的特性限制了纳米纸的高效率的制备；而现有的纳米纸制备技术，在实现高效制备的同时却又难以兼顾高透明和超平滑的性能要求。因此，开发出既能实现纳米纸的快速制备，又能保证纳米纸高透明、超平滑特性的制造技术，成为纳米纸制备研究的主要方向。目前，对于纳米纸的快速制备，主要围绕加速过滤速度和/或加速干燥速度等方面展开研究。Sehaqui等人报道了一种过滤加真空干燥实现快速制备纳米纸的方法，整个制备过程耗时1-2小时。[SehaquiHet.al.Fastpreparationprocedureforlarge,flatcelluloseandcellulose/inorganicnanopaperstructures.Biomacromolecules2010;11:2195-2198]。相比于其它制备纳米纸的方法，该方法的效率虽然显著提高，但是该方法制备的纳米纸存在如下两方面问题：（1）因使用多孔滤膜，纳米纸的表面粗糙度大于20纳米，不能满足柔性电子器件对衬底表面性能的要求；（2）采用真空干燥，导致纳米纸的透光率仅为42%（600nm波长下）。芬兰科学家开发出一种压榨过滤和加压干燥相结合快速制备纳米纸的方法，整个制备过程耗时1-2h。[?sterbergMet.al.Afastmethodtoproducestrongnfcfilmsasaplatformforbarrierandfunctionalmaterials.ACSAppliedMaterials&Interfaces2013;5:4640-4647]。但是，制得的纳米纸用于柔性电子器件衬底时，也存在以下不足：（1）43%的纳米纤维素在压榨过滤阶段流失，而且制备的纳米纸形状不可控；(2)在热压干燥的过程中，需要涉及精确的压力控制，否则会使湿的纳米纸压溃；（3）为了提高干燥速度，采用100℃的温度干燥，导致纳米纤维素网络内部的水分快速蒸发，降低纳米纸的紧度（紧度仅为0.5g/cm3)；（4）大孔径滤膜的使用，导致纳米纸表面粗糙。Beneventi等人所用的方法，先将2%的纳米纤维素分散体均匀的喷涂到亲水性的尼龙网上，然后经过真空过滤、压榨、真空干燥制备成纳米纸，整个过程耗时小于40min[BeneventiDet.al.Rapidnanopaperproductionbyspraydepositionofconcentratedmicrofibrillatedcelluloseslurries.IndustrialCropsandProducts2015,72:200-205]。但是，这种方法制备的纳米纸的表面同样非常的粗糙，不能满足柔性电子器件的要求。上述方法显示，通过过滤结合加压或真空干燥的方式虽然可以显著提高纳米纸的制备效率，但是，高的表面粗糙度（>20nm）和低的透光率（<70%)制约了这些方法制备的纳米纸在柔性电子器件领域的应用。美国研究人员通过过滤的方式形成纳米纸滤饼，然后在加压常温干燥的过程中，将滤饼无滤膜面紧贴光滑的PET制备出表面粗糙为3nm-10nm，透明度约为90%的纳米纸[HuangJet.alHighlytransparentandflexiblenanopapertransistors.ACSNano2013,7:2106-2113]。尽管这一方法成功制得性能适用于柔性晶体管的纳米纸衬底，但是，其制备时间长达30h，且需要加压干燥防止纳米纸变形。Fujisaki等人将浓度为1%纳米纤维素分散体涂于丙烯酸树脂基底，然后进行干燥也获得了具有优异透光率和表面平滑的纳米纸[FujisakiY,et.al.Transparentnanopaper-basedflexibleorganicthin-filmtransistorarray.AdvancedFunctionalMaterials2013,24:1657-1663]。但是，该制备工艺耗时也长达24h，而且所得的纳米纸的厚度仅为20μm。上述方法显示，通过将纳米纤维素分散液均匀分布在超平滑材料表面后干燥，可赋予纳米纸优异的表面平滑度和透光性，但这类制备工艺的耗时在24h以上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足和缺点，提供一种高透明超平滑纳米纸及其快速制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）以植物纤维为原料，经化学预处理和机械处理制备纳米纤维素分散液；（2）将薄膜材料紧密贴合在平底硬质容器的底部，制备纳米纤维素分散液的铸膜容器；（3）将纳米纤维素分散液均匀的倾倒于铸膜容器内表面；（4）将盛有纳米纤维素分散液的铸膜容器放置于恒温恒湿箱中铸膜干燥，制备纳米纤维素/薄膜复合材料；（5）将纳米纤维素/薄膜复合材料中的薄膜材料剥离，制得高透明超平滑的纳米纸。进一步优化的，步骤（1）所述植物纤维为漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、漂白非木浆、漂白废纸浆、绒毛浆和棉浆中的一种或一种以上。进一步优化的，步骤（1）所述的化学预处理采用氢氧化钠预处理法、纤维素酶法预处理法、TEMPO氧化体系预处理法和酸处理法中的一种或一种以上；所述的机械处理采用高压微射流法、高压均质法、高浓盘磨法和高强度超声破碎法中的一种或一种以上。进一步优化的，所述酸处理法所用的物质为硫酸或磷酸。进一步优化的，步骤（1）所述纳米纤维素分散液的质量浓度为1%-2%，粘度为100cp-2000cp。进一步优化的，步骤（2）所述薄膜材料为铜箔、聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜材料（PET）、铝箔、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、淋膜纸、BOPP（双向拉伸聚丙烯薄膜）和尼龙薄膜中的一种；薄膜厚度为15μm~200μm，表面粗糙度为1-20nm；所述平底硬质容器的材质为玻璃、二氧化硅、大理石、木材、金属、树脂、陶瓷、塑料、纸板和复合纸板材质中的一种，平底硬质容器的形状取决于制备样品的形状，表面粗糙度小于1000nm。进一步优化的，步骤（3）所述纳米纤维素分散液需均匀的倾倒并铺满整个铸膜容器，分散液中不许产生气泡，液位高度小于40mm，液面与底面均需保持水平。进一步优化的，步骤（4）所述盛有纳米纤维素分散液的铸膜容器放于恒温恒湿箱中进行干燥，湿度为30%-60%，温度为30℃-50℃，干燥时间小于10小时。进一步优化的，步骤（5）所述纳米纤维素/薄膜复合材料可以相互剥离，纳米纸与薄膜材料的剥离力小于50mN/m。由上述的制备方法制得的一种高透明超平滑纳米纸，表面平整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（1）以植物纤维为原料，经化学预处理和机械处理制备纳米纤维素分散液；（2）将薄膜材料紧密贴合在平底硬质容器的底部，制备纳米纤维素分散液的铸膜容器；（3）将纳米纤维素分散液均匀的倾倒于铸膜容器内表面；（4）将盛有纳米纤维素分散液的铸膜容器放置于恒温恒湿箱中铸膜干燥，制备纳米纤维素/薄膜复合材料；（5）将纳米纤维素/薄膜复合材料中的薄膜材料剥离，制得高透明超平滑的纳米纸。

【技术特征摘要】
1.一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）以植物纤维为原料，经化学预处理和机械处理制备纳米纤维素分散液；
（2）将薄膜材料紧密贴合在平底硬质容器的底部，制备纳米纤维素分散液的铸膜容器；
（3）将纳米纤维素分散液均匀的倾倒于铸膜容器内表面；
（4）将盛有纳米纤维素分散液的铸膜容器放置于恒温恒湿箱中铸膜干燥，制备纳米纤维素/薄膜复合材料；
（5）将纳米纤维素/薄膜复合材料中的薄膜材料剥离，制得高透明超平滑的纳米纸。
2.根据权利要求1所述的一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于：步骤（1）所述植物纤维为漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、漂白非木浆、漂白废纸浆、绒毛浆和棉浆中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的化学预处理采用氢氧化钠预处理法、纤维素酶法预处理法、TEMPO氧化体系预处理法和酸处理法中的一种以上；所述的机械处理采用高压微射流法、高压均质法、高浓盘磨法和高强度超声破碎法中的一种以上。
4.根据权利要求3所述的一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于：所述酸处理法所用的物质为硫酸或磷酸。
5.根据权利要求1所述的一种高透明超平滑纳米纸的快速制备方法，其特征在于：步骤（1）所述纳米纤维素分散液的质量浓度为1%-2%，粘度为100cp-2000cp。
6.根据权利要求1所述的一种高...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志强，陈港，况宇迪，张俊奇，邝其通，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44