專利名稱：纖維素/蒙脫土納米復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復合阻熱材料，尤其涉及一種以農(nóng)作物秸桿纖維和天然蒙脫土為主體相互作用，形成的具有較好的彈性和耐磨性的納米復合材料——纖維素/蒙脫土納米復合材料。
背景技術(shù)：
天然蒙脫土由于其特殊性能被廣泛用作阻熱聚合物復合材料的填料，在一定范圍內(nèi)填料含量越高，復合材料的性能越好，但是材料的力學性能有所下降，特別是材料韌性會明顯下降。提高復合材料性能的一個有效途徑是無機物均勻填充到聚合物中，可以改善其熱學性能和力學性能。
纖維彈性材料以適宜的纖維作為骨架材料，通過膠粘使之保持穩(wěn)定形狀。當纖維具有空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，制備出的材料具有很好的彈性。由于膠粘纖維彈性材料透水、透氣好，彈性優(yōu)良、強度可靠等一系列優(yōu)點，越來越廣泛應用于航空、航天、交通、體育及人員防護等領(lǐng)域的工程結(jié)構(gòu)中。
目前綠色化學及其帶來的產(chǎn)業(yè)革命已經(jīng)在全世界興起，隔熱工業(yè)中的綠色革命也即將來臨，在人們對阻熱材料需求量增大的同時，性能要求也更加多面化。秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料應運而生，該材料將二者的特性有機的結(jié)合，具備無機物的剛性和有機高分子良好的可加工性，具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)點。
秸桿是籽實收獲后農(nóng)作物殘留物，每年產(chǎn)量數(shù)億噸，但是秸桿的利用率在我國卻很低，僅占5％左右，大部分秸桿被作為廢棄物焚燒掉或僅當作燃料，既浪費了大量的自然資源，又對環(huán)境造成污染，使空氣中的SO2和NOx等嚴重超標。如果能變廢為寶，將其用作彈性阻熱材料的原料，必將增加利用價值，可提高農(nóng)業(yè)效益，降低彈性阻熱材料的成本，更重要的是對可再生天然資源的開發(fā)，可大量補充人類面臨的不可再生資源的短缺，對人類可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明得目的是提供一種以秸桿纖維和天然蒙脫土為主體相互作用，形成一種具有較好的彈性、耐磨性及阻熱性的秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料。
本發(fā)明的秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料，是將纖維素均勻插入蒙脫土片層中，使蒙脫土與纖維素緊密結(jié)合并以納米尺度均勻分散在纖維素中而得。
所述纖維素為農(nóng)作物秸稈纖維素，該農(nóng)作物秸稈纖維素是將農(nóng)作物秸稈在酸性性條件下高溫回流而得。
所述蒙脫土為天然蒙脫土通過有機改性而得的有機蒙脫土。
本發(fā)明秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，包括以下工藝步驟①秸桿纖維素的制備將農(nóng)作物秸桿粉碎，加入到秸桿粉末質(zhì)量60～120倍的酸性溶液中，在100～120℃下回流2～3h；再加入與所述酸等摩爾量的堿性中和劑回流1～1.5h，抽濾，用蒸餾水洗滌、干燥，得秸桿纖維素；②蒙脫土的改性將天然蒙脫土置于水中，在40～60℃的恒溫水浴中攪拌加熱30～60min后靜置，形成蒙脫土水分散液；取天然蒙脫土質(zhì)量0.3～0.5倍的改性劑置于水中，加天然蒙脫土質(zhì)量0.5～1倍的鹽酸調(diào)節(jié)形成質(zhì)子化溶液，并將質(zhì)子化溶液逐滴加入到蒙脫土水分散液中，用超聲波震動3～4小時后，抽濾并用水洗滌止無溴離子和氯離子，然后在70～90℃下，真空干燥、研磨、過篩得有機蒙脫土；③插層將秸桿纖維素、有機蒙脫土按1∶1～1.2的質(zhì)量比充分溶于分散介質(zhì)中攪拌均勻，再向其中加有機蒙脫土質(zhì)量0.1～0.15倍的纖維溶解劑，在攪拌下加熱至纖維素完全溶解，抽濾、定型、洗滌，待液體溶膠凍結(jié)后，在60～80℃干燥48～50h即得。
步驟①所述的酸性溶液是濃度為60％～65％的硝酸溶液。
步驟①所述的堿性中和劑為氫氧化鈉。
步驟①所述的分散介質(zhì)為水。
步驟②所述的改性劑為十二烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨或十八烷基三甲基氯化銨。
步驟③所述的秸桿纖維溶解劑為氯化鋅。
本發(fā)明制備的秸桿纖維/蒙脫土納米復合材料的結(jié)構(gòu)可通過掃描電鏡及透射電鏡的SEM照片得到充分的體現(xiàn)圖1中，(a)為蒙脫土片層結(jié)構(gòu)，(b)為纖維素/蒙脫土納米復合材料放大9.8×103倍的SEM照片。從圖(b)可以看到蒙脫土片層上均勻包覆了一層纖維素；由圖(b)可以明顯地看出蒙脫土片層基本保持了它原有的層狀結(jié)構(gòu)，纖維素插入了它的層間，形成了規(guī)整的纖維素/蒙脫土材料，蒙脫土片層與有機體結(jié)合緊密，它們之間存在相互吸附作用；蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)阻止了纖維素的集聚，使得蒙脫土和纖維素在反應過程中分散均勻。
本發(fā)明纖維素/蒙脫土納米復合材料的性能1、彈性由于復合材料中具有高彈性能的纖維素的存在，而且纖維素與蒙脫土以納米尺度均勻分散，使該納米復合材料具有較好的彈性。
圖2為本發(fā)明纖維素/蒙脫土復合材料中纖維素濃度對實數(shù)粘度(η)和實數(shù)模數(shù)(G)的影響。從圖中可以看到實數(shù)粘度(η)和實數(shù)模量(G)隨纖維素濃度(C)的增加而增加，對于實數(shù)粘度(η)，在纖維素的濃度C＝125mg·L-1處有一個轉(zhuǎn)折點。實數(shù)粘度(η)是纖維素溶液純粘性的表征，是大分子鏈在溶液中運動粘性流動的反映。當纖維素的濃度(C)增大，分子鏈間的作用力增大，宏觀表現(xiàn)為實數(shù)粘度的增加。對于實數(shù)模量(G)，在纖維素的濃度C＝500mg·L-1處有一個轉(zhuǎn)折點。實數(shù)模量(G)是纖維素彈性的表征，即與溶液中的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有關(guān)。當纖維素的濃度C＝500mg·L-1時纏結(jié)點隨纖維素的濃度C增加而增加較快，當C＞500mg·L-1時纏結(jié)點隨纖維素的濃度C增加而增加較慢。
2、耐熱性由于纖維素與蒙脫土的界面之間存在一種強的相互作用，使蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)對納米空間中纖維素產(chǎn)生了阻隔和保護作用，一方面限制了層間纖維素分子的活動性，延緩了熱分解反應的進行；另一方面使得片層之間氣體流通不暢，從而進一步抑制了纖維素的熱分解，因此，本發(fā)明的復合材料具有較好的耐熱性。
圖3為纖維素/蒙脫土材料(1)及纖維素(2)的TG曲線。由TG曲線可看出，單純纖維素的最大熱失重溫度要比纖維素/蒙脫土納米復合材料低。研究表明，基體的分解溫度升高，其原因除了蒙脫土片層空間的限制和纖維素之間存在強的分子間相互作用外，同時蒙脫土導致纖維素分子鏈的交聯(lián)度增加，從而提高熱分解所需要的能量，即材料的耐熱性提高。
由此可見本發(fā)明的纖維素/蒙脫土復合材料結(jié)合了纖維素與蒙脫土的優(yōu)點，具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)點彈性、耐熱性，大大提高了復合材料的可加工性，在航天、體育和環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
本發(fā)明制備纖維素/蒙脫土復合材料的方法，工藝簡單、操作方便，生產(chǎn)效率高，成本低，便于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明蒙脫土及纖維素/蒙脫土材料的SEM照片圖2為不同濃度纖維素對實數(shù)粘度(η)和實數(shù)模數(shù)(G)的影響圖3纖維素/蒙脫土材料和纖維素的TG曲線具體實施方式
實施例1、纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備①秸桿纖維素的制備將玉米秸桿粉碎，加入到秸桿粉末質(zhì)量120倍、濃度為60％的硝酸溶液中，在120℃下回流2h；再加入硝酸等摩爾量的氫氧化鈉回流1h，抽濾，用蒸餾水洗滌、干燥，得秸桿纖維素；②蒙脫土的改性將天然蒙脫土置于水中，在40℃的恒溫水浴中攪拌加熱30～60min后靜置，形成蒙脫土水分散液；取天然蒙脫土質(zhì)量0.5倍的十二烷基三甲基溴化銨置于水中，加天然蒙脫土質(zhì)量1倍的鹽酸調(diào)節(jié)形成質(zhì)子化溶液，并將質(zhì)子化溶液逐滴加入到蒙脫土水分散液中，用超聲波震動3～4小時后，抽濾并用水洗滌止無溴離子和氯離子，然后在70℃下，真空干燥、研磨、過篩得有機蒙脫土；③插層將秸桿纖維素、有機蒙脫土按1∶1的質(zhì)量比充分溶于水中攪拌均勻，再向其中加有機蒙脫土質(zhì)量0.1倍的氯化鋅，在攪拌下加熱至纖維素完全溶解，抽濾、定型、洗滌，待液體溶膠凍結(jié)后，在70℃干燥48～50h即得。
實施例2、纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備①秸桿纖維素的制備將小麥秸桿粉碎，加入到秸桿粉末質(zhì)量90倍、濃度為62％的硝酸溶液中，在110℃下回流3h；再加入硝酸等摩爾量的氫氧化鈉回流1.5h，抽濾，用蒸餾水洗滌、干燥，得秸桿纖維素；②蒙脫土的改性將天然蒙脫土置于水中，在50℃的恒溫水浴中攪拌加熱30～60min后靜置，形成蒙脫土水分散液；取天然蒙脫土質(zhì)量0.3倍的十六烷基三甲基溴化銨置于水中，加天然蒙脫土質(zhì)量0.8倍的鹽酸調(diào)節(jié)形成質(zhì)子化溶液，并將質(zhì)子化溶液逐滴加入到蒙脫土水分散液中，用超聲波震動3～4小時后，抽濾并用水洗滌止無溴離子和氯離子，然后在90℃下，真空干燥、研磨、過篩得有機蒙脫土；③插層將秸桿纖維素、有機蒙脫土按1∶1.15的質(zhì)量比充分溶于水中攪拌均勻，再向其中加有機蒙脫土質(zhì)量0.12倍的氯化鋅，在攪拌下加熱至纖維素完全溶解，抽濾、定型、洗滌，待液體溶膠凍結(jié)后，在60℃干燥48～50h即得。
實施例3、纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備
①秸桿纖維素的制備將玉米秸桿粉碎，加入到秸桿粉末質(zhì)量60倍、濃度為65％的硝酸溶液中，在100℃下回流2.5h；再加入硝酸等摩爾量的氫氧化鈉回流1.3h，抽濾，用蒸餾水洗滌、干燥，得秸桿纖維素；②蒙脫土的改性將天然蒙脫土置于水中，在60℃的恒溫水浴中攪拌加熱30～60min后靜置，形成蒙脫土水分散液；取天然蒙脫土質(zhì)量0.4倍的十八烷基三甲基氯化銨置于水中，加天然蒙脫土質(zhì)量1倍的鹽酸調(diào)節(jié)形成質(zhì)子化溶液，并將質(zhì)子化溶液逐滴加入到蒙脫土水分散液中，用超聲波震動3～4小時后，抽濾并用水洗滌止無溴離子和氯離子，然后在80℃下，真空干燥、研磨、過篩得有機蒙脫土；③插層將秸桿纖維素、有機蒙脫土按1∶1.2的質(zhì)量比充分溶于水中攪拌均勻，再向其中加有機蒙脫土質(zhì)量0.15倍的氯化鋅，在攪拌下加熱至纖維素完全溶解，抽濾、定型、洗滌，待液體溶膠凍結(jié)后，在80℃干燥48～50h即得。
權(quán)利要求
1.一種纖維素/蒙脫土納米復合材料，是將纖維素均勻插入蒙脫土片層中，使蒙脫土與纖維素緊密結(jié)合并以納米尺度均勻分散在纖維素中而得。
2.如權(quán)利要求1所述的纖維素/蒙脫土納米復合材料，其特征在于所述蒙脫土為天然蒙脫土通過有機改性劑而得的有機蒙脫土。
3.如權(quán)利要求1所述的纖維素/蒙脫土納米復合材料，其特征在于所述纖維素為農(nóng)作物秸稈纖維素。
4.如權(quán)利要求3所述的纖維素/蒙脫土納米復合材料，其特征在于所述農(nóng)作物秸稈纖維素是將農(nóng)作物秸稈在酸性性條件下高溫回流而得。
5.一種秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，包括以下工藝步驟①秸桿纖維素的制備將農(nóng)作物秸桿粉碎，加入到秸桿粉末質(zhì)量60～120倍的酸性溶液中，在100～120℃下回流2～3h；再加入與所述酸等摩爾量的堿性中和劑回流1～1.5h，抽濾，用蒸餾水洗滌、干燥，得秸桿纖維素；②蒙脫土的改性將天然蒙脫土置于水中，在40～60℃的恒溫水浴中攪拌加熱30～60min后靜置，形成蒙脫土水分散液；取天然蒙脫土質(zhì)量0.3～0.5倍的改性劑置于水中，加天然蒙脫土質(zhì)量0.5～1倍的鹽酸調(diào)節(jié)形成質(zhì)子化溶液，并將質(zhì)子化溶液逐滴加入到蒙脫土水分散液中，用超聲波震動3～4小時后，抽濾并用水洗滌止無溴離子和氯離子，然后在70～90℃下，真空干燥、研磨、過篩得有機蒙脫土；③插層將秸桿纖維素、有機蒙脫土按1∶1～1.2的質(zhì)量比充分溶于分散介質(zhì)中攪拌均勻，再向其中加有機蒙脫土質(zhì)量0.1～0.15倍的纖維溶解劑，在攪拌下加熱至纖維素完全溶解，抽濾、定型、洗滌，待液體溶膠凍結(jié)后，在60～80℃干燥48～50h即得。
6.如權(quán)利要求5所述秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于步驟①所述的酸性溶液是濃度為60％～65％的硝酸溶液。
7.如權(quán)利要求5所述秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于步驟①所述的堿性中和劑為氫氧化鈉。
8.如權(quán)利要求5所述秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于步驟②所述的改性劑為十二烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨或十八烷基三甲基氯化銨。
9.如權(quán)利要求5所述秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于步驟③所述的分散介質(zhì)為水。
10.如權(quán)利要求5所述秸桿纖維素/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于步驟③所述的秸桿纖維溶解劑為氯化鋅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種秸桿纖維/蒙脫土納米復合材料及其制備方法。該復合材料是將纖維素均勻插入蒙脫土片層中，使蒙脫土與纖維素緊密結(jié)合并以納米尺度均勻分散在纖維素中而得。本發(fā)明結(jié)合了纖維素與蒙脫土的優(yōu)點，具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)點彈性和耐熱性，大大提高了復合材料的可加工性，在航天、體育和環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。本發(fā)明制備纖維素/蒙脫土復合材料的方法，工藝簡單、操作方便，生產(chǎn)效率高，成本低，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C08K3/00GK1869114SQ20061004304
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月24日
發(fā)明者莫尊理, 張平, 孫銀霞, 趙仲麗, 陳紅 申請人:西北師范大學