一种纳米纤维素基复合膜及其制备方法和用途技术

一种纳米纤维素基复合膜，包括纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物，通过氢键结合构成均一的膜状结构，采用以下步骤制备：1)取纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物，分别制备为纳米纤维丝分散液、迈克烯纳米片分散液、多酚类化合物分散液；2)将纳米纤维丝分散液、迈克烯纳米片分散液混合，得到混合溶液；3)将多酚类化合物分散液滴加至步骤2)的混合溶液中，搅拌6

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素基复合膜及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及材料领域，特别涉及一种纳米纤维素基复合膜及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]在当今追求绿色节能和智能化的社会中，受生物行为(变色龙自主变幻体色抵御外敌、觅偶、寻食；捕蝇草控制叶片张开闭合来捕捉食物等)的启发，研究者已成功地设计和开发了各种能够响应外部刺激(如湿度、电、光、温度、磁)发生可逆变形的智能驱动器。特别是，由于环境友好性和湿度可获得性，湿度响应驱动器备受关注，并在许多尖端领域中具有巨大的发展潜力，包括智能可穿戴设备、软机器人、人工肌肉、能量转换器等。设计湿度响应驱动器的一般策略有两类：1.依据材料间亲水性的显著差异来构建双层/多层结构，响应均匀的湿度刺激，实现自驱动行为。2.由一种或多种亲水性材料组成的均匀单一结构，响应局部的湿度刺激，实现自驱动。不幸的是，上述第一种情况的双层或多层湿度响应驱动器通常制备过程复杂，力学性能较差，由于材料间的应变不匹配导致界面稳定性弱。因此，为了克服这些问题，设计一种单层湿度响应式的驱动器已成为人们关注的焦点。尽管单层湿度响应驱动器取得了令人瞩目的进展，但已报道的大多数单层湿度响应驱动器都是基于合成材料，且主要集中在改善驱动器的湿度响应性能，而忽视了机械强度的提升和多功能性能的探索，这阻碍其更广泛的应用。
[0003]纳米纤维素因来源广泛、可再生、可降解、生物相容和丰富的吸湿官能团等优势成为构建湿度响应驱动器最有前途的候选原料。然而，纯纳米纤维素膜存在强度低和功能单一的局限性，限制了纳米纤维素在新兴智能材料领域的发展。如何在纳米纤维素中引入功能材料，从而既不影响湿度响应的前提下又能赋予本体高机械性能和多功能性具有巨大的挑战性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种纳米纤维素基复合膜，其机械强度高，具备优异的焦耳热和抗菌性能。
[0005]本专利技术的目的之二是提供上述纳米纤维素基复合膜的制备方法，其制备工艺简单、原料绿色环保，易于实施。
[0006]实现本专利技术目的之一的技术方案是：一种纳米纤维素基复合膜，包括纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物，通过氢键结合构成均一的膜状结构。
[0007]进一步的，所述纳米纤维丝的直径为3
‑
5nm，长径比＞1000，优选的，纳米纤维丝的长度为3
‑
10um，所述迈克烯纳米片的平均尺寸≥300nm，厚度为1
‑
3nm，优选的，迈克烯纳米片的平均尺寸为300
‑
500nm，厚度为1
‑
2nm。
[0008]进一步的，所述膜状结构的厚度为10
‑
30μm，优选的，厚度为15μm。
[0009]进一步的，所述纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物的质量比为100：25
‑
100：2.5
‑
15。
[0010]优选的，所述多酚类化合物为单宁酸、多巴胺、没食子酸、木质素中的任一种或几种混合。
[0011]实现本专利技术目的之二的技术方案是：任一上述纳米纤维素基复合膜的制备方法，包括如下步骤：
[0012]1)取纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物，分别制备为纳米纤维丝分散液、迈克烯纳米片分散液、多酚类化合物分散液；
[0013]2)将纳米纤维丝分散液、迈克烯纳米片分散液混合，得到混合溶液；
[0014]3)将多酚类化合物分散液滴加至步骤2)的混合溶液中，搅拌6
‑
12h，得到均匀混合溶液；
[0015]4)将均匀混合溶液抽滤，滤饼干燥6
‑
8h，得到厚度为10
‑
30μm的纳米纤维素复合膜。
[0016]优选的，步骤1)所述纳米纤维丝分散液、迈克烯纳米片分散液的浓度为0.3
‑
0.5wt％。
[0017]进一步的，步骤1)所述纳米纤维丝采用TEMPO氧化法制备得到，迈克烯纳米片采用LiF/HCl溶液刻蚀Ti3AlC
2 MAX相制备得到。
[0018]优选的，步骤4)所述抽滤，为抽滤杯中真空抽滤，所述干燥为自然干燥。
[0019]本专利技术还提供了任一上述纳米纤维素基复合膜在制备湿度响应驱动器中的用途。
[0020]进一步的，所述湿度响应驱动器呈双半月瓣形状，通过响应湿度张开或闭合，优选的，所述湿度响应驱动器应用于智能衣服，通过响应湿度张开或闭合，实现自动散热、降湿、保温。
[0021]采用上述技术方案具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术制备得到的纳米纤维素复合膜由一维的纳米纤维丝、二维的迈克烯纳米片及生物大分子多酚类化合物构成，集优异的湿度响应，机械强度，焦耳热和抗菌性能一体化。其中，迈克烯纳米片表面含有丰富的含氧官能团，多酚类化合物含有大量的酚羟，分别与纳米纤维丝形成多重氢键，可有效提高制备得到的纳米纤维素复合膜的机械性能，扩大其应用范围。基于纳米纤维丝的亲水本质和迈克烯纳米片片层距会随水分子诱导变化的行为，赋予了纳米纤维素复合膜优异的湿度响应能力。此外，迈克烯纳米片具有独特的导电性，赋予纳米纤维素复合膜优异的焦耳热性能，生物大分子多酚类化合物具有天然的抗菌能力，还赋予纳米纤维素复合膜抗菌功能。
[0023]2、本专利技术制备纳米纤维素复合膜使用的原料主料为纳米纤维丝，绿色环保、成本低廉，实现纤维素的高价值利用。
[0024]3、本专利技术将原料制备为分散液，在溶液体系中完成键键结合，然后采用抽滤、干燥的方式得到均一的复合膜，避免了传统的双层或者多层复合材料层间易剥离的问题，具有有益的弯曲
‑
不弯曲稳定性(＞1000次)。同时，工艺简单、环保安全，有利于工业化生产。
[0025]4、本专利技术利用一维的纳米纤维丝、二维的迈克烯纳米片和生物大分子多酚类化合物作为原料，制备得到的纳米纤维素复合膜呈现独特的“砖
‑
桥
‑
泥”仿贝壳结构。其中，纳米纤维丝作为增强体，发挥水泥的作用；迈克烯纳米片作为二维导电材料，发挥贝壳“砖块”的作用，多酚类化合物作为粘结剂，成为纳米纤维丝和迈克烯纳米片之间的有效桥梁。三种组分形成多重氢键，使得制备得到的纳米纤维素基复合膜具有优异的力学强度，可达到
275.4MPa。
[0026]5、本专利技术纳米纤维素基复合膜采用高长径比的纳米纤维丝和均匀、多为单片的迈克烯纳米片，提高纤维素丝与迈克烯纳米片的接触面积，有利于构建高强度的复合薄膜。
[0027]6、本专利技术纳米纤维素基湿度响应复合膜的湿度响应机理：一方面，复合膜中迈克烯纳米片、多酚类化合物尤其纳米纤维丝的亲水官能团暴露在湿度下能够吸附水分子，削弱甚至破坏纳米纤维丝、迈克烯纳米片和多酚类化合物之间的氢键相互作用，导致复合膜中迈克烯纳米片之间的膨胀。另一方面，复合膜的紧密仿贝壳层状结构作为屏障，可阻碍水分子沿垂直方向的扩散，从而在薄膜厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素基复合膜，其特征在于，包括纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物，通过氢键结合构成均一的膜状结构。2.根据权利要求1所述的纳米纤维素基复合膜，其特征在于，所述纳米纤维丝的直径为3
‑
5nm，长径比＞1000，优选的，纳米纤维丝的长度为3
‑
10um，所述迈克烯纳米片的平均尺寸≥300nm，厚度为1
‑
3nm，优选的，迈克烯纳米片的平均尺寸为300
‑
500nm，厚度为1
‑
2nm。3.根据权利要求1所述的纳米纤维素基复合膜，其特征在于，所述膜状结构的厚度为10
‑
30μm，优选的，厚度为15μm。4.根据权利要求1至3任一所述的纳米纤维素基复合膜，其特征在于，所述纳米纤维丝、迈克烯纳米片、多酚类化合物的质量比为100：25
‑
100：2.5
‑
15。5.根据权利要求1至4任一所述的纳米纤维素基复合膜，其特征在于，所述多酚类化合物为单宁酸、多巴胺、没食子酸、木质素中的任一种或几种混合。6.权利要求1
‑
5任一的纳米纤维素基复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵自强，魏洁，贾帅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：