具有阴离子表面活性剂的CNF多孔固体材料制造技术

本发明专利技术涉及包含纤维素纳米纤维(CNF)和阴离子表面活性剂的多孔固体材料，制备该材料的方法，以及它们的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有阴离子表面活性剂的CNF多孔固体材料
本专利技术涉及包含纤维素纳米纤维(CNF)和阴离子表面活性剂的多孔固体材料，制备该材料的方法，以及它们的用途。
技术介绍
在我们的日常生活中，主要由石油基聚合物制成的大孔及微孔材料用于各类形式和组合物中。这些的实例是建筑物和飞机的绝缘材料以及包装用的聚合物泡沫。用于此类用途的泡沫必须是稳定的、轻质的和容易制造的。由于对使用可再生材料需求意识的增强，非常需要使用源自可再生资源的聚合物来代替石油基聚合物。纤维素作为地球上最丰富的可再生天然聚合物，具有晶体结构且适合大规模工业化制备方法，因此其拥有独特潜力。植物中的长纳米纤丝填充有具有β-(1-4)-D-吡喃葡萄糖重复单元的纤维素链，根据植物来源，横截面尺寸为5-30nm。纤维素链的并行结构通过氢键结合在一起并形成薄片，从而构成杨氏模量约为130GPa的晶体结构。考虑到其优异的机械性能，这些纳米纤丝作为新纳米材料的潜在构建块以及作为石油基结构的替代材料是非常有趣的。纤维素纳米纤丝(CNF)可以通过机械分解从木浆中释放出来，通常首先通过酶分解(Henriksson等人，EuropeanPolymerJournal，2007,43(8)3434-3441)或化学预处理(Saito等，Biomacromolecules，2007,8(8)2485-2491；等人，Langmuir，2008,24784-795)，以促进纤丝的释放和减少能量需求。文献中的术语不是明确的，纳米纤丝已经被称为例如微纤化纤维素(MFC)，纳米纤维化纤维素(NFC)，和如本文所用的纤维素纳米纤丝(CNF)。采用胶体粒子来稳定所谓皮克林乳液(Pickeringemulsion)中的高能界面已有一个多世纪之久的历史。但这一概念直到最近才应用于制备超稳定湿泡沫和在干燥状态下保存这些结构以保持多孔材料。粒子在部分疏液或疏水时会粘附到气液界面。这是由于它在能量上有利于粒子粘附到气液界面并通过低能固-气区替代部分高能固-液区。优选地，所述粒子以约90°的接触角粘附到界面。这最终是由气-液、气-固和固-液界面张力之间的平衡所决定。由于粒子具有高吸附能，因此它们在界面的吸附倾向比表面活性剂更强。因此，与表面活性剂基体系相比，粒子稳定化泡沫(particle-stabilizedfoam)表现出优异的稳定性。聚并作用(coalescence)受到吸附的粒子的空间斥力的阻碍，而且界面上形成一层粒子有效阻止气泡收缩和扩张，从而将奥斯瓦尔德熟化降到最低程度并形成持久稳定的泡沫。WO2007/068127A1公开了如何制备颗粒稳定的泡沫体，其中初始亲液性颗粒通过在颗粒表面上吸附两亲分子而被原位疏液化。这些泡沫体可以被干燥而保存多孔结构(Studart等人，J.Am.Ceram.Soc.，2006，89(6)1771-1789；Gonzenbach等人Angew.Chem.Int.Ed.2006，45，3526–3530；WO2007/068127A1)。用颗粒和非吸附两亲物、常规的非离子表面活性剂或具有与颗粒相同的电荷符号的表面活性剂制备的泡沫不稳定并在数秒钟至数分钟内塌陷(Gonzenbach等人，Langmuir2006，22，10983-10988)。WO2014/011112A1公开了从阴离子CNF制备疏水化湿泡沫体，该阴离子CNF通过吸附阳离子疏水性胺，例如正辛胺而疏液化。泡沫体被干燥而保持多孔结构(Cervin，PorousCelluloseMaterialsfromNanoFibrillatedCellulose,RoyalInstituteofTechnology,2012；Cervin等人LightweightandStrongCelluloseMaterialsMadefromAqueousFoamsStabilizedbyNanofibrillatedCellulose,Biomacromolecules,2013,14,503-311；WO2014/011112A1)。含有CNF和纸浆的纤维网(WO2013/160553)和在纤维网上的CNF的薄泡沫涂层形成的的泡沫体，已在TechnicalResearchCentreofFinland(VTT)制备(Kinnunen等人，Thincoatingsforpaperbyfoamcoating，InPaperCon2013，27April-1May，Atlanta，GA：TAPPI)。用于生产包含CNF的固体多孔材料的大多数方法涉及湿CNF凝胶的超临界干燥或冷冻干燥。然而，使用这种方法难以制备没有裂缝的大块泡沫体。CNF对于制备高度多孔的可再生材料非常有意义，在这方面已经做了大量工作。然而，需要改进的方法，其中湿CNF泡沫体可以被干燥而在干燥状态下保持多孔结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供源自可再生材料的多孔固体材料。本专利技术的另一目的是提供可再生材料，其具有高度多孔性、良好的孔径分布和良好的机械特性。本专利技术涉及包含纤维素纳米纤维(CNF)和表面活性剂的多孔固体材料，其中:a)所述表面活性剂为阴离子表面活性剂；b)所述材料具有的密度小于500kg/m3；且c)该材料至少50％的孔具有的直径为至少10μm。本专利技术进一步涉及制备多孔固体材料的方法，包括:a)提供纤维素纳米纤维(CNF)在水性溶剂中的分散体,b)向(a)中的分散体添加阴离子表面活性剂，得到混合物,c)制备b)中得到的混合物的泡沫体，其中所述湿泡沫体的密度至多为步骤(b)制备的混合物的98％，和d)干燥c)中得到的泡沫体，得到多孔固体材料。本专利技术还涉及可通过根据本专利技术的方法得到的多孔固体材料、包含纤维素纳米纤维(CNF)和阴离子表面活性剂的多孔固体材料用于绝缘、包装或吸收的用途，以及包括包含纤维素纳米纤维(CNF)和阴离子表面活性剂的多孔固体材料的产物。根据本专利技术的多孔固体材料具有保持的多孔结构且显示良好的机械特性。附图简述图1显示使用不同表面活性剂制备的CNF泡沫体的湿泡沫体稳定性。图2显示在添加或不添加表面活性剂情况下CNF的复弹性模量。图3显示湿泡沫体中的空气含量(◆)和多孔固体材料的密度(◇)作为CNF分散体浓度的函数，其中所述SDS负载保持恒定，以30gCNF分散体中0.1mlSDS溶液(20g/L)。图4显示湿泡沫体中的空气含量(◆)和干燥多孔固体材料的密度(◇)作为CNF分散体浓度的函数，其中所述SDS负载为20mgSDS/gCNF。图5显示从30gTEMPO-氧化的阴离子CNF(0.6wt％)和0.1ml阴离子SDS(25g/L)制备的多孔固体材料的SEM图。图6显示从300gTEMPO-氧化的阴离子CNF(0.5wt％)和1.0ml阴离子SDS(25g/L)制备的多孔固体材料的SEM图。专利技术详述除非另有说明，本申请中使用的所有单词和缩写应解释为具有相关领域通常给予它们的含义。为了清楚起见，下面具体定义了一些术语。在本说明书中，术语“泡沫”用于是指气体分散在固体或液体介质中，其中气泡通过液体或固体介质的薄膜彼此分开以形成气体的室。在本说明书中，术语“多孔固体材料”用于是指固体材料，其具有群集在一起的具有固体边缘或面的小室的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔固体材料，其包含纤维素纳米纤维(CNF)和表面活性剂，其中:a)所述表面活性剂为阴离子表面活性剂；b)所述材料具有的密度小于500kg/m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.30 SE 1430152-71.一种多孔固体材料，其包含纤维素纳米纤维(CNF)和表面活性剂，其中:a)所述表面活性剂为阴离子表面活性剂；b)所述材料具有的密度小于500kg/m3；且c)该材料至少50％的孔具有的直径为至少10μm。2.根据权利要求1所述的多孔固体材料，其中所述纤维素纳米纤维为阴离子纤维素纳米纤维。3.根据权利要求3所述的多孔固体材料，其中所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、月桂基醚硫酸钠(SLES)、油酸钠和油酸钾，或其组合。4.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述多孔固体材料包含少于5wt％的阴离子表面活性剂，基于多孔固体材料的总重量计算。5.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述CNF具有的电荷密度为0至2000μeq/g。6.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述CNF为酶改性CNF、TEMPO-氧化的CNF或羧基甲基化CNF的任一种，或其组合。7.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中该材料至少50％的孔具有的直径为至少200μm。8.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述材料具有至少1kPa/(kg/m3)的比模量。9.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述材料除了CNF基本上不包含纤维材料。10.根据上述权利要求任一项的多孔固体材料，其中所述材料基本上不包含交联剂。11.由根据上述权利要求任一项的材料形成的片材，其具有的厚度为至少0.05mm。12.制备密度小于500kg/m3的干燥多孔固体材料的方法，包括以下步骤:a)提供包含纤维素纳米纤维(CNF)在水性溶剂中的分散体,b)向(a)中的分散体添加阴离子表面活性剂，得到混合物；c)从(b)中得到的混合物制备湿泡沫体，其中所述湿泡沫体具有的密度小于(b)中制备的混合物的98％；和d)干燥(c)中得到的湿泡沫体，得到多孔固体材料。13.根据权利要求12的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：E约翰逊，N张塞尔温，LE维格伯格，
申请(专利权)人：切卢特克股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE