一种富含纳米孔的纤维素膜、制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种富含纳米孔的纤维素膜、制备方法和应用，属于纤维素膜技术领域。本发明专利技术纤维素膜包括若干层层堆叠的结构单元和贯穿整个纤维素膜的纳米级孔道，所述结构单元为二维纤维素纳米片。本发明专利技术纤维素膜具有独特的层级结构，分布均匀的纳米级孔道，超薄的厚度，表现出高机械强度、耐酸碱、良好的亲水性和高离子电导率的优良性能，制备本发明专利技术纤维素膜的方法原料丰富、成本低廉、制备过程简单、环境友好、安全无毒。安全无毒。安全无毒。

【技术实现步骤摘要】
一种富含纳米孔的纤维素膜、制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纤维素膜
，具体涉及一种富含纳米孔的纤维素膜、制备方法和应用。

技术介绍

[0002]膜是具有选择性分离功能的材料，在某种推动力作用下，利用膜的选择性分离可实现不同组分的分离、纯化和浓缩。膜技术在电池隔膜、水处理、生化制药、食品制造、石油化工、医疗卫生等领域占据着不可替代的地位。
[0003]目前，锂离子电池常用的隔膜为聚烯烃类隔膜，其孔径可控性好，强度高，厚度可控，但聚烯烃类隔膜浸润性差，内阻大，且是来自于不可再生的石油的衍生品，制造成本高。此外，玻璃纤维隔膜由于其内阻低、电解质润湿性高，也是电池中常用的隔膜之一，但玻璃纤维隔膜的空隙来自于由于堆叠纤维的孔隙太大而不能阻止金属阳极枝晶的生长。除此之外，玻璃材料的脆性，使得玻璃纤维隔膜难以忍受电池运行过程中由于电极体积变化而引起的内部应力，易于被电极产生的枝晶穿透而遭到破坏，导致电池短路，降低池寿命，且制造成本高。
[0004]此外，电池电解液中离子水解和副反应的发生，导致隔膜所处环境并不总是中性，如铅酸电池的电解液为强酸性，镍氢电池的电解液为强碱性，水系电池中副反应析氢反应是不可避免的，这导致电解质与电极表面界面的局部pH变化。这种强酸强碱的环境会对隔膜造成腐蚀，因此一个理想的电池隔膜应具有较高的机械强度来抵抗应力，合适的孔径来通过离子并能阻塞枝晶，在较宽的pH窗口内具有良好的化学稳定性，对于水系电池还需要优越的亲水性来匹配水电解质。
[0005]公开号为CN108448028A的专利申请公开了一种新的锂离子电池隔膜及其制备方法，将纳米纤维素膜和无机颗粒形成的陶瓷膜复合在一起，提高了隔膜的强度，可阻碍锂枝晶的生长。但未指出该隔膜的亲水性，这决定其能否适用于水系电池。现有水系电池隔膜技术中，大多致力于利用涂覆、分子链改性等方法改善水系电池隔膜的亲水性。公开号为CN110707268A专利申请公开了一种新的水系电池隔膜，将SiO2‑
聚合物纤维化，并交互成膜，但这也是在解决隔膜亲水性问题。这些技术无一例外，都未曾提到利用膜结构提高强度、同时具有阻碍枝晶生长上的作用。
[0006]公开号为CN108822315B的专利申请公开了一种高强透明疏水性纤维素纳米膜及其制备方法，具体公开了以天然纤维素为原料，首先通过甲酸水解纤维素原料，分离出的纤维素固体依次经过溶剂置换、机械处理和干燥成型，获得所述高强透明疏水性纤维素纳米膜。其制备的纤维素膜性质优异，结构密实、强度高、透明度高，但纤维素表面发生分子重排和重结晶，很难应用于电池隔膜，还存在改进空间。
[0007]综上所述，需要开发一种具有较高的机械强度和合适的孔径的电池隔膜。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种富含纳米孔的纤维素膜、制备方法以及应用，该纤维素膜由二维纤维素纳米片自组装而成以形成多层层叠结构，且具有贯穿整体的纳米级孔道，其可作为电池隔膜，尤其适用于水系电池，并且该膜的制备方法简单，能解决现有技术中电池隔膜耐腐蚀性差、强度低、孔隙大的问题，最终能提高电池寿命，且更加环保。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种富含纳米孔的纤维素膜，包括若干层层堆叠的结构单元和贯穿整个纤维素膜的纳米级孔道，所述结构单元为二维纤维素纳米片。
[0010]进一步的，所述结构单元厚度不大于20nm，相邻层相互之间通过分子间作用力实现层层堆叠。
[0011]进一步的，所述贯穿整个纤维素膜的纳米级孔道的孔径为5nm～100nm。
[0012]进一步的，所述纤维素膜的结构单元数量大于50层，整个纤维素膜的总厚度为1μm～100μm。
[0013]进一步的，所述的二维纤维素纳米片呈二维平面结构，其由纯天然纤维素纳米纤维彼此之间通过氢键自组装而成，所述纯天然纤维素纳米纤维包括毛竹、慈竹、云杉、冷杉、红松、杨木、高粱秆、玉米秆、桑皮、雁皮、稻草、麦草、芦苇、棉花、棉短绒、红麻、黄麻、亚麻、香蕉叶、龙舌兰麻、龙须草、咸水草、甘蔗渣中的一种或多种。
[0014]按照本专利技术的第二个方面，还提供一种富含纳米孔的纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)将二维纤维素纳米片分散在溶剂中得到分散液；
[0016](2)通过成膜方法驱动分散液中的二维纤维素纳米片进行自组装获得湿膜；
[0017](3)将湿膜干燥去除溶剂，使得二维纤维素纳米纤维自收缩而在纤维素膜中自发形成纳米级的结构孔，该纳米级的结构孔贯穿整个纤维素膜。
[0018]进一步的，步骤(2)中，所述成膜方法包括真空过滤法、热压法、冷压法、相转化法和冷冻干燥法中的至少一种。
[0019]进一步的，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和丁酮中的至少一种。
[0020]按照本专利技术的第三个方面，还提供如上所述的富含纳米孔的纤维素膜的应用，其用作滤膜、纳滤膜、隔膜或者渗透膜。
[0021]进一步的，将其用于电子器件中的隔膜，所述电子器件包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、钾离子电池、铝离子电池和镁离子电池，还包括碳电容器、混合离子电池和混合超电容器。
[0022]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0023](1)本专利技术的富含纳米孔的纤维素膜结构独特，为层层堆叠的层级结构，由二维纤维素纳米片自组装而成，具有贯穿整个膜的多个纳米级孔道，纳米级孔道分布均匀。本专利技术的纤维素膜由于取自植物纤维，其富含氢键，具有良好的亲水性。此外，其还表现出高机械强度，耐酸碱，高离子电导率的性能。并且，整个纤维素膜厚度为1μm～100μm，且厚度可调，
这种超薄的厚度有利于提高电池的体积比容量。制备本专利技术的富含纳米级的纤维素膜的原料丰富、成本低廉、制备过程简单、环境友好、安全无毒。
[0024](2)本专利技术的富含纳米孔纤维素膜的应用场景广泛，不仅可以独立使用，还可作为基底与其他材料复合使用。可以用作滤膜、纳滤膜、隔膜或者渗透膜。本专利技术的纤维素膜可用作各种电池的隔膜，在水系电池、非中性环境，如强酸性的铅酸电池、强碱性的镍氢电池中也能很好的工作。
附图说明
[0025]图1为实施例1制备的富含纳米孔的纤维素膜的截面SEM图，其能看到多层结构。
[0026]图2为实施例1制备的富含纳米孔的纤维素膜的表面SEM图，其放大倍数较小，能观察到表面呈片层状。
[0027]图3为实施例1所制得的纤维素膜的SEM图，其放大倍数较大，能观察到表面的贯穿通孔。
[0028]图4为实施例1所制得的纤维素膜与对比实施例1商用玻璃纤维隔膜在酸性电解液中循环性能对比图。
[0029]图5为实施例1所制得的纤维素膜与对比实施例1商用玻璃纤维隔膜在碱性电解液中循环性能对比图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富含纳米孔的纤维素膜，其特征在于，包括若干层层堆叠的结构单元和贯穿整个纤维素膜的纳米级孔道，所述结构单元为二维纤维素纳米片。2.根据权利要求1所述的纤维素膜，其特征在于，所述结构单元厚度不大于20nm，相邻层相互之间通过分子间作用力实现层层堆叠。3.根据权利要求2所述的纤维素膜，其特征在于，所述贯穿整个纤维素膜的纳米级孔道的孔径为5nm～100nm。4.根据权利要求3所述的纤维素膜，其特征在于，所述纤维素膜的结构单元数量大于50层，整个纤维素膜的总厚度为1μm～100μm。5.根据权利要求1
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4任一所述的纤维素膜，其特征在于，所述的二维纤维素纳米片呈二维平面结构，其由纯天然纤维素纳米纤维彼此之间通过氢键自组装而成，所述纯天然纤维素纳米纤维包括毛竹、慈竹、云杉、冷杉、红松、杨木、高粱秆、玉米秆、桑皮、雁皮、稻草、麦草、芦苇、棉花、棉短绒、红麻、黄麻、亚麻、香蕉叶、龙舌兰麻、龙须草、咸水草、甘蔗渣中的一种或多种。6.一种富含纳米孔的纤维素膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李会巧，符金洲，陈兴艳，肖娉，杜治辰，翟天佑，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：