一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纤维素复合材料，具体涉及一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]自从Iijima发现碳纳米管以来，纳米材料因具有许多特殊的化学性质而引起了人们的极大兴趣。ZnO是典型的且性能优良的宽禁带半导体材料，由于量子尺寸及小尺寸效应，纳米ZnO表现出特殊性质，广泛地应用于光催化、光电转换以及气体传感器等领域。ZnO纳米材料的制备方法主要有气相沉积法、模板法、微乳液法、溶胶-凝胶法、水热合成法等，所制得的产品形状有纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米阵列及纳米膜等。由于纳米ZnO粒径小、表面能高，故极易团聚、难分离、不易回收且不如Ti02稳定，极大地限制了在光催化工业中的应用。因此，将纳米ZnO与特定载体组装成复合材料，提高纳米材料的活性、效率及稳定性是实现其光催化工业应用的有效途径之一。
[0003]目前，常用的无机载体有二氧化硅、硅藻土、氧化铝、炭材料等，无机载体具有密度大(一般仅适用固定床反应器)的特点，限制了其在光催化工程中的应用；有机聚合物载体有聚乙烯等，其密度小，不仅适用于固定床反应器，也可适用于悬浮床反应器，但石油基聚合物不易降解和再生，环境友好性差。
[0004]纤维素是葡萄糖结构单元通过β_1，4糖苷键连接而成的线性高分子，它是地球上储量最高、环境友好且可再生的有机聚合物，由于具有多个可反应羟基且可生物降解，备受材料科学家的关注。因此，组装纳米ZnO/纤维素复合材料也是实现纤维素高值化利用的一条重要途径。
[0005]目前，纳米ZnO/纤维素复合材料的制备方法主要有两类:一是以原纤维素纤维、再生棉纤维素膜、醋酸纤维素纤维和纸纤维等为纳米ZnO的载体，将锌源(如硝酸锌、醋酸锌等)负载在载体上，最后将锌源转化成纳米氧化锌，得到纳米ZnO/纤维素复合材料；二是先制备得到纳米ΖηΟ，然后将纳米ZnO分散在纤维素或纤维素衍生物(如醋酸纤维素等)的溶液中，最后将纤维素或纤维素衍生物析出，得到出纳米ZnO/纤维素复合材料。
[0006]以上两类方法分别存在以下缺点:第一类方法，以纤维或膜为载体，锌源不易渗透进入载体；且最终产品的形状为纤维或膜，而工业催化剂的形状一般为颗粒状、条状。第二类方法，需要选用纤维素或纤维素衍生物的溶剂，造成环境污染；纳米ZnO颗粒不易分散在纤维素或纤维素衍生物溶液中，且对纺丝成纤维或成膜过程造成不利的影响；单独制备纳米ZnO —般需要较高的温度。
【发明内容】
[0007]发明目的:针对以上方法存在的不足，本发明提供了一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料及制备方法，以ZnCl2水溶液作为纤维素的润涨剂、溶剂和纳米ZnO的锌源，将纤维素润涨，同时部分纤维素溶解，采用注射方式、原位溶胶-凝胶、低温水热合成技术和冷冻干燥得到的一种以未溶纤维素纤维和再生纤维素为载体的纳微ZnO/纤维素条状材料。
[0008]技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法，包括以下步骤:
(I)取纤维素纤维加入到65wt%的ZnCljK溶液中，在40°C ~70°C的恒温浴槽中预处理2h-12h ；
(2 )用注射器将部分溶解纤维素的ZnCl2水溶液注射到15%-30%Na0H水溶液中，析出时间为0.5-5小时，调节体系的pH值为7-10，静置24-48小时，得到条状ZnO前驱体/纤维素纤维；
(3)将步骤(2)中的条状ZnO前驱体/纤维素纤维放入水热合成釜中，在pH=7-10、温度为100-170°C的条件下进行水热反应，反应时间为4-10h ;
(4)将步骤(4)中的条状ZnO/纤维素纤维水洗至无Cl—后，先放入超低温冰箱内，冷冻结束后将样品置于冷冻干燥机中，干燥结束后，得到ZnO/纤维素纤维条状材料。
[0009]复合纤维素由未溶纤维素纤维和再生纤维素组成，ZnO的尺寸为纳米级或微米级。
[0010]所述的纤维素纤维为木浆、竹浆或棉浆纤维。
[0011 ] 所述的纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法所制备获得的条状材料。
[0012]有益效果:与现有产品和技术相比，本发明具备的优点包括:
(I)得到一种以未溶纤维素纤维和再生纤维素为载体的纳微ZnO/纤维素条状材料。
[0013](2)本发明采用的方法无需外加其他纤维素溶剂，制备工艺清洁环保。
[0014](3)纤维素溶解后，其分子上的羟基与锌离子结合，有力地促进了纳米ZnO的生成，水热合成温度也相应明显降低，因此，制备工艺具有节能的优点。
[0015](4)未溶解的纤维素纤维起到增强作用。
【附图说明】
[0016]图1是实施例1的ZnO/纤维素条状材料的SEM图；
图2是实施例1的条状材料中未溶纤维素及纳米ZnO粒子料的SEM图；
图3例一条状材料中再生纤维素及纳米ZnO粒子料的SEM图；
图4是ZnO和碱式氯化锌晶体XRD标准图谱图；
图5是水热温度为120°C时ZnO颗粒的XRD图；
图6是实施例1的ZnO/纤维素条状材料的XRD图；
图7是水热温度为240 °C时ZnO颗粒的XRD图；
图8是实施例2的ZnO/纤维素条状材料料的SEM图；
图9是实施例2的条状材料中未溶纤维、再生纤维素及ZnO图；
图10是实施例2的ZnO/纤维素条状材料的XRD图；
图11是实施例3的ZnO/纤维素条状材料料的SEM图；
图12是实施例3的条状材料中未溶纤维、再生纤维素及ZnO ;
图13是实施例3的ZnO/纤维素条状材料的XRD图。
【具体实施方式】
[0017]实施例1 将Ig木浆纤维素纤维加入到65% (wt%)的ZnClyK溶液中，在60°C的恒温浴槽中预处理4h。采用注射器将润涨且部分溶解纤维素的ZnCl2水溶液中缓慢注射到30%Na0H水溶液，析出时间为0.5h，调节体系的pH值为9时，静置24小时，得到条状ZnO前驱体/纤维素。将条状ZnO前驱体/纤维素放入水热合成釜中，在pH9、温度为120°C的条件下进行水热反应，反应时间为6h。将条状ZnO/纤维素水洗至无CF后，先放入超低温冰箱内，冷冻结束后将样品置于冷冻干燥机中，干燥结束后，得到条状纳米ZnO/纤维素纤维新材料。
[0018]同时采用相同方法(不加纤维素，其他条件相同)制备了 ZnO颗粒，作为对照。
[0019]由图1，为所制备的条状ZnO/纤维素材料；从图2和图3可以看出，ZnO均匀分散在原纤维和再生纤维的表面，其长度为l_2um，宽度为500nm左右。
[0020]由图4和图5可知，不加纤维素制备的ZnO颗粒晶体不纯，含有较多的碱式氯化锌杂质；由图4和图6可知，所制备的条状ZnO/纤维素凝胶含有纤维素和ZnO晶体，无碱式氯化锌。采用相同方法(不加纤维素，改变温度，其他条件相同)制备了 ZnO颗粒，对比结果表明:当水热温度达到240°C时，才能得到比较纯的ZnO晶体，结果如图7所示。因此，纤维素的存在促进了 ZnO晶体的生成，降低了 ZnO晶体的水热合成温度。
[0021]实施例2
将Ig棉浆纤维素纤维加入到65% (wt%)的ZnCljK溶液中，在40°C的恒温浴槽中预处理12h。采用注射器将润涨且部分溶解纤维素的ZnCl2水溶液中缓慢注射到20%Na0H水溶液，析出时间为3h，调节体系的pH值为7时，静置36小时，得到条状ZnO前驱体/纤维素。将条状ZnO前驱体/纤维素放入水热合成釜中，在pH7、温度为170°C的条件下进行水热反应，反应时间为4h。将条状ZnO/纤维素水洗至无CF后，先放入超低温冰箱内，冷冻结束后将样品置于冷冻干燥机中，干燥结束后，得到条状纳米ZnO/纤维素纤维新材料。
[0022]由图8可知，制备获得条状ZnO/纤维素材料；从图9可以看出，ZnO分散在原纤维和再生纤维的表面，ZnO为5um左右的颗粒。
[0023]由图4和图10可知，所制备的条状ZnO/纤维素凝胶含有纤维素和ZnO晶体，无碱式氯化锌。
[0024]实施例3
将Ig竹浆纤维素纤维加入到65% (wt%)的ZnCljK溶液中，在70°C的恒温浴槽中预处理2h。采用注射器将润涨且部分溶解纤维素的ZnCl2水溶液中缓慢注射到15%Na0H水溶液，析出时间为5h，调节体系的pH值为10时，静置48小时，得到条状ZnO前驱体/纤维素。将条状ZnO前驱体/纤维素放入水热合成釜中，在pH1、温度为100°C的条件下进行水热反应，反应时间为10h。将条状ZnO/纤维素水洗至无Cl—后，先放入超低温冰箱内，冷冻结束后将样品置于冷冻干燥机中，干燥结束后，得到条状纳米ZnO/纤维素纤维新材料。
[0025]由图11可知，制备获得了条状ZnO/纤维素材料；从图12可以看出，ZnO分散在原纤维和再生纤维的表面，ZnO为l-3um长的两端尖的颗粒。
[0026]由图4和图13可知，所制备的条状ZnO/纤维素凝胶含有纤维素和ZnO晶体，无碱式氯化锌。
【主权项】
1.一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (I)取纤维素纤维加入到65wt%的ZnCljK溶液中，在40°C ~70°C的恒温浴槽中预处理2h-12h ； (2 )用注射器将部分溶解纤维素的ZnCl2水溶液注射到15%-30%Na0H水溶液中，析出时间为0.5-5小时，调节体系的pH值为7-10，静置24-48小时，得到条状ZnO前驱体/纤维素纤维； (3)将步骤(2)中的条状ZnO前驱体/纤维素纤维放入水热合成釜中，在pH=7-10、温度为100-170°C的条件下进行水热反应，反应时间为4-10h ; (4)将步骤(4)中的条状ZnO/纤维素纤维水洗至无Cl—后，先放入超低温冰箱内，冷冻结束后将样品置于冷冻干燥机中，干燥结束后，得到ZnO/纤维素纤维条状材料。2.根据权利要求1所述的纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法，其特征在于:复合纤维素由未溶纤维素纤维和再生纤维素组成，ZnO的尺寸为纳米级或微米级。3.根据权利要求1所述的纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法，其特征在于:所述的纤维素纤维为木浆、竹浆或棉浆纤维。4.权利要求1所述的纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法所制备获得的条状材料。
【专利摘要】本发明公开了一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料的制备方法，以ZnCl2水溶液作为纤维素的润涨剂、溶剂和纳米ZnO的锌源，溶解浆纤维素纤维为纤维素原料，通过润涨和部分溶解、注射共析出、水热合成和冷冻干燥，制备了以原纤维素纤维和再生纤维素纤维为载体的纳微ZnO/纤维素条状材料。由于本发明以ZnCl2水溶液作为纤维素的润涨剂、溶剂和纳米ZnO的锌源，因此，无需外加其他纤维素溶剂，制备工艺清洁环保。另外，纤维素润涨、部分溶解后，其分子上的羟基与锌离子结合，促进了纳米ZnO的生成，水热合成温度也相应明显降低，因此，制备工艺具有节能的优点。
【IPC分类】B01J31/26, B01J31/06, B82Y30/00
【公开号】CN104941683
【申请号】CN201510310898
【发明人】李小保, 柏茜茜, 张雪, 李力成, 叶菊娣, 洪建国, 李宇欣
【申请人】南京林业大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月9日