一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法

本发明属于生物质基功能材料领域，涉及包装领域，具体为一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法。

背景技术：

1、近年来，石化塑料作为一种廉价耐用的材料，由于其优异的综合力学性，在许多领域都起着至关重要的作用。然而，因其不可生物降解性导致资源与环境问题的日益突出，这与绿色可持续发展理念相悖。

2、绿色发展是人类进步的必然选择，许多国家出台了“限塑”政策，目前解决“限塑”这个问题主要依靠：可降解塑料和以纸代塑两种手段。而纸质包装制品，拥有成本较低、可再生、可回收、可生物降解的多重天然优势，不会成为生态污染源。在禁塑令以及双碳政策倡导下，以“以纸代塑”是解决塑料污染问题的重要策略。

3、目前纸浆模塑材料(纸塑)材料成为了主流趋势，但是其仍然存在一些弊端，如：力学性能较合成塑料仍有较大差距、湿强性能与材料环保性差等。其中差的力学性能问题极大限制了纸塑材料的应用。亟需开发一种高力学性能的纸塑基材的制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧质纸塑材料的方法，通过纤维素微凝胶填充和纳米纤维素增强纤维键接强度，从而使二者补充到长纤维搭建的纤维网络骨架中，然后利用传统的纸塑加工方式得到高致密性的纤维素基材。球体状的微米级纤维填充于造纸纤维与纤维之间搭建过程中的空隙面积，增大纤维间的键接面积，引入纳米纤维素能增强纤维间的键接强度，能够解决现存纸塑基材力学强度差的弊端；引入高枝化的微米纤维素并对其进行表面处理(比如纳米化处理)，使其与造纸纤维之间形成更多的机械互锁，这种强的机械互锁即使在后期有水的参与也不易被打开，能够解决现存纸塑材料湿强差的问题，从而改善纸塑材料中频繁使用湿强剂、施胶剂等问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，将造纸纤维、微米级纤维凝胶、纳米级纤维中的两种以上进行混合，然后混合物利用传统的纸塑加工方式得到高致密性的强韧质纸塑材料。

4、所述造纸纤维为打浆度为15-75°sr的长纤维。

5、所述微米级纤维凝胶包括纤维素微凝胶或tempo氧化的纤维素微凝胶。

6、所述纤维素微凝胶的制备方法如下：用去离子水将细菌纤维素清洗至洗液的导电率和去离子水一致和tds＝0后，通过胶磨机高速机械剪切5-20min得到纤维素微凝胶。

7、所述tempo氧化的纤维素微凝胶的制备方法如下：用去离子水将1kg细菌纤维素清洗至洗液的导电率与去离子水一致并且tds＝0，之后将其置于2000ml质量分数为0.78％的磷酸钠缓冲液中，并且用氢氧化钠调节缓冲溶液ph＝6.8，接着加入0.96gtempo、67.8g亚氯酸钠以及112.5ml次氯酸钠溶液，将其在室温下以500rpm搅拌4h后，转移至60℃油浴中继续反应12-48h，将反应后物质冷却到室温，用去离子水洗涤至洗涤液的tds＝0-1ppm，获得氧化的细菌纤维素，最后将氧化的细菌纤维素高速机械剪切得到tempo氧化的纤维素微凝胶。

8、所述纳米级纤维为长纤维纳米纤维素(f-cnf)和细菌纤维素纳米纤维素(b-cnf)。

9、所述长纤维纳米纤维素(f-cnf)制备方法如下：将35g的针叶木纤维悬浮于含0.84gtempo、5.25g溴化钠和328.05g次氯酸钠的3500ml去离子水中，随后在室温下以500rpm进行搅拌，在搅拌过程中不断加入氢氧化钠溶液以保证反应过程ph值为10，直至ph值不再发生变化即反应结束，最后将混合液抽滤并利用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，得到长纤维纳米纤维素(f-cnf)，测定其酸值和固含量，冷藏备用，根据需要加水配置需要浓度的纳米纤维素分散液(比如质量分数1-10％)。

10、所述细菌纤维素纳米纤维素(b-cnf)制备方法如下：以细菌纤维素为基础，方法如上，得到b-cnf，具体如下：将35g的细菌纤维素悬浮于含0.84gtempo、5.25g溴化钠和328.05g次氯酸钠的3500ml去离子水中，随后在室温下以500rpm进行搅拌，在搅拌过程中不断加入氢氧化钠溶液以保证反应过程ph值为10，直至ph值不再发生变化即反应结束，最后将混合液抽滤并利用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，得到细菌纤维素纳米纤维素(b-cnf)，测定其酸值和固含量，冷藏备用，根据需要加水配置需要浓度的纳米纤维素分散液(比如质量分数1-10％)。

11、所述传统纸塑制备工艺为：纤维原材料→碎浆→配浆、供浆→成型→干燥→整型。

12、本发明的有益效果：

13、本发明利用多尺度的纤维素为原料，纤维素是地球上储量最丰富的天然聚合物，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，多尺度的设计，能够得到较高致密性的纸塑基材，造纸纤维、微米级纤维、纳米级纤维之间的协同作用使基材具有强韧的力学性能和较强的湿强，而且多尺度的设计还使基材具有了比纯纳米纤维素更低的能耗，复合绿色可持续发展的理念。

技术特征：

1.一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，将造纸纤维、微米级纤维凝胶、纳米级纤维中的两种以上的分散液进行混合，混合物利用传统的纸塑加工方式得到高致密性的强韧质纸塑材料。

2.根据权利要求1所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，造纸纤维为打浆度为15-75°sr的长纤维。

3.根据权利要求1所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，微米级纤维凝胶为纤维素微凝胶或tempo氧化的纤维素微凝胶。

4.根据权利要求3所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，纤维素微凝胶的制备方法如下：用去离子水将细菌纤维素清洗至洗液的导电率与去离子水一致并且tds＝0，随后使用高速机械剪切5-20min得到纤维素微凝胶。

5.根据权利要求3所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，tempo氧化的纤维素微凝胶的制备方法如下：用去离子水将1kg细菌纤维素清洗至洗液的导电率与去离子水一致并且tds＝0，之后将其置于2000ml质量分数为0.78％的磷酸钠缓冲液中，并且用氢氧化钠调节缓冲溶液ph＝6.8，接着加入0.96gtempo、67.8g亚氯酸钠以及112.5ml质量分数5％的次氯酸钠溶液，在室温下以500rpm搅拌4h后，转移至60℃油浴中继续反应12-48h，将反应后物质冷却到室温，用去离子水洗涤至洗涤液的tds＝0-1ppm，获得氧化的细菌纤维素，最后将氧化的细菌纤维素高速机械剪切得到tempo氧化的纤维素微凝胶。

6.根据权利要求1所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，纳米级纤维为长纤维纳米纤维素或细菌纤维素纳米纤维素。

7.根据权利要求6所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，长纤维纳米纤维素的制备方法如下：将35g的针叶木纤维悬浮于含0.84gtempo、5.25g溴化钠和328.05g次氯酸钠的3500ml去离子水中，随后在室温下以500rpm进行搅拌，在搅拌过程中不断加入氢氧化钠溶液以保证反应过程ph值为10，直至ph值不再发生变化即反应结束，最后将混合液抽滤并利用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，得到长纤维纳米纤维素。

8.根据权利要求6所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，细菌纤维素纳米纤维素的制备方法如下：将权利要求7中的针叶木纤维替换为细菌纤维素，按照权利要求7所述方法制备得到细菌纤维素纳米纤维素。

9.根据权利要求1所述纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，其特征在于，造纸纤维、微米级纤维、纳米级纤维三种进行混合的质量比为1-3:1-2:1-3；两种进行混合的质量比为1:0.5-3。

技术总结
本发明公开一种纤维素微凝胶/协同纳米纤维素构建强韧纸浆模塑基材的方法，通过微米级材料的填充以及纳米级材料增强纤维键接强度的方式，使二者补充到造纸纤维搭建的网络中，最后利用传统的纸塑加工方式得到高致密性的纤维素基材；本发明得到的基材可同时具备高强韧和高湿强的性能，有望应用在承重包装等领域。

技术研发人员：李凯,廖丽琼
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5