一种用于宏量湿法制备高性能纳米纤维素膜的装置和方法

摘要

本发明属于纤维素湿法制备领域和轻工机械设计技术领域，具体公开了一种宏量湿法制备纳米纤维素膜方法及其精密注塑压缩成型装置。将纳米纤维素悬浮溶液注入定模，然后对定模内腔进行抽真空，同时动模处的液压滑块向定模方向移动，对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩；压缩排出的水分由抽真空装置抽出，并导入至排水收集装置，待所述水分被排出后进行开模，然后由定模上的模腔顶出纳米纤维素膜，并依次进行烘干、拉伸与定型处理，得到纳米纤维素膜。本发明可显著提高湿法成型制备纤维素膜的效率，并且可以通过调节真空加压过滤的时间、温度与压力等参数改善膜的形态，实现纳米纤维素悬浮液湿法成膜的宏量生产。

说明书

技术领域

本发明属于纤维素湿法制备领域和轻工机械设计技术领域，特别涉及一种宏量湿法制备纳米纤维素膜方法及其精密注塑压缩成型装置。

背景技术

与传统的旋转涂布、铸膜法、溶胶-凝胶化、静电纺丝和径迹蚀刻法等方法相对比，针对粘稠纳米纤维素悬浮液特有的高触变性特性，本发明拟采用精密注压湿法成膜-可调控水蒸发干燥策略，基于精密注压-真空排水-热拉伸成型方法用于宏量制备纳米纤维素膜，具有操作简单、工艺可控、薄膜厚度均匀和高效成型等优点，将对于高性能的纤维素膜用于电池隔膜领域中的应用具有推动促进作用，将为新能源产业的绿色、高效智造提供新方法，进一步促进高分子加工新原理和新方法的理论和技术发展。本发明旨在提供一种生产效率高、生产过程稳定、可通过加压真空过滤制备纳米纤维素膜的精密注塑压缩成型装置。

传统的纤维素膜制备方法采用溶液法，即将纤维素溶解于离子液体、碱溶液、有机氧化物等溶剂中，形成均相溶液体系后，通过凝固浴中成型、溶剂置换、自挥发等策略获得小批量的纤维素膜。通过致孔剂、纳米石墨烯和二氧化硅等纳米粒子、以及改变分散介质配比等途径，获得具有孔隙率可调控、高力学强度和离子通道的纤维素膜材料，实现纤维素膜的绿色、高效和宏量制备的初步探索(Cellulose,2015,22(5):2983-2992)。Sehaqui等人(Biomacromolecules，2011，12(10)：3638-3644)将针叶木纤维经酶预处理、TEMPO碱性氧化处理和机械处理制得纳米纤维素水凝胶，以超临界二氧化碳干燥法制备了多孔结构的纳米纸。Chun等人(Journal of Materials Chemistry,2012,22(32):16618-16626)将桉木纤维素粉末在异丙醇/水的溶剂多次均质，以热压形成纤维素膜，因膜材料太脆导致柔性显示器或触摸屏产生开裂现象。浙江大学陈欢林教授课题组基于相转化原理，采用直接浸入法、蒸汽诱导法以及干法制备了硝酸纤维素膜,系统考察纤维素膜成型方式对膜结构及性能的影响机理(中国造纸,2019(9):59-68)。异于上述膜成型策略，华南理工大学唐爱民教授采用以纳米纤维素悬浮液为基材，通过调控悬浮液的纤维素的微纳米尺度和比例，借助真空过滤和加热干燥等手段，实现了高强度、高离子通量的纤维素膜的绿色制备。这种湿法成膜方式具有绿色环保、操作简单、工艺可控、薄膜厚度均匀和高效成型等优点而备受关注。湿膜在热压干燥过程中，随着水分的缓慢蒸发，纳米纤维素纤维在毛细管作用下互相靠近最终形成致密的网络结构而影响孔隙性能。

注塑压缩成型是一种将热塑性聚合物熔体先注塑至模具型腔后，再进行短行程合模压缩(International communications in heat and mass transfer,1998,25(7):907-917)，尤其是局部加压式注塑压缩(精压)，充分利用模具滑块等液压装置实现压缩。精压的模腔能保证其压力均匀分布于产品表面的两个轴向方向，显著提高聚乙烯、聚丙烯等高分子材料注塑制品表面细微部精度，尺寸稳定性以及生产工艺重复性(Applied MaterialsToday,2019,16:72-82)。

为保证湿法薄膜的尺寸稳定性，制备尺寸均匀并且具有高重现性和产率的含水纤维素膜，本发明设计了一种制备纳米纤维素膜的精密注塑压缩成型装置，包括模具型腔设计、真空系统设计和精密注塑等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的首要目的为提供一种宏量湿法制备纳米纤维素膜的方法；

本发明再一目的在于提供一种实现上述宏量湿法制备纳米纤维素膜的精密注塑压缩成型装置，从而提高纤维素膜的高值化应用和产业化可能性。

本发明的目的通过下述方法实现：

一种宏量湿法制备纤维素膜的方法，主要包括以下步骤：

将纳米纤维素悬浮溶液注入定模，然后对定模内腔进行抽真空，同时动模处的液压滑块向定模方向移动，对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩；压缩排出的水分由抽真空装置抽出，并导入至排水收集装置，待所述水分被排出后进行开模，然后由定模上的模腔顶出纳米纤维素膜，并依次进行烘干、拉伸与定型处理，得到纳米纤维素膜。

优选地，所述定膜和动模的温度为40～80℃；

优选地，液压滑块前进速度0.5～2mm/min；

优选地，所述对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩时的注塑压力为70～120MPa。

一种实现上述宏量湿法制备高性能纳米纤维素膜的装置，包括精密注射机、加压抽滤模具和烘干系统；

所述加压抽滤模具包括定模、动模、抽真空装置和排水收集装置；所述精密注射机出料口与定模相连；所述动模含有液压模块，所述液压模块与抽真空装置相连；所述定模的抽真空装置通过管路与定模型腔相连；所述定模和动模均有排水口，所述排水收集装置通过排水口与定膜和动模相连；所述烘干系统包括依次连接的加热装置、双向拉伸装置和定型装置，所述烘干系统通过传送带与加压抽滤模具相连。

优选地，所述精密注射机另一端连接储料罐，所述储料罐中配有搅拌桨，用于充分混合原料。

优选地，所述定模与动模中均有热电偶，用于测量模具温度；

优选地，所述加压抽滤模具与烘干系统连接处设有机械手，所述机械手设有真空吸盘。

本发明在现有技术下，具有如下的优点及有益效果：

(1)显著提高了湿法成型制备纤维素膜的效率。纳米纤维素水凝胶具有高黏度，采用单纯真空抽滤成膜具有时间长、生产效率低、生产能耗大等缺点。

与只利用抽真空抽出纳米纤维素悬浮溶液中水分的方式不同，该套模具可实现双向抽真空排水，定模与动模上均有抽真空装置，并且在抽真空的同时对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩，加快了水分分离的速度，是普通真空过滤湿法制备纤维素膜的15倍以上。

(2)该真空加压过滤系统制备得到的纤维素膜的微观形貌与普通抽真空过滤方得到的纤维素膜的微观形貌基本一致，膜厚均一性提高，而膜的尺寸具有可调性。

(3)实现纳米纤维素悬浮液湿法成膜的宏量生产。

(4)可通过调节真空加压过滤的时间、温度与压力等参数改善膜的形态，尤其是基于温度、剪切场和黏度之间的科学原理的构建和详细系统参数的优化，本发明专利实现了同时具有提高过滤除水效果同时达到纤维素膜的性能优化和制备高效等目的。

附图说明

图1为本发明所述用于宏量湿法制备高性能纳米纤维素膜的装置。

图2为本发明用于宏量湿法制备高性能纳米纤维素膜的装置中的定膜与动模模型图。

图3为实施例1中用于湿法快速制备纤维素膜的加压抽滤模具装置。

图4为实施例1所得纳米纤维素悬浮溶液黏度-温度变化曲线。

图5为不同成型方法下纤维素膜的形貌，其中图(a)为对比例1中抽真空法，图(b)为实施例1压缩-真空排水法所得纤维素膜的形貌。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，更清楚说明本发明的目的、技术方案，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例。

实施例中所用于宏量湿法制备高性能纳米纤维素膜的装置，包括精密注射机、加压抽滤模具和烘干系统；

所述加压抽滤模具包括定模、动模、抽真空装置和排水收集装置；所述精密注射机出料口与定模相连；所述动模含有液压模块，所述液压模块与抽真空装置相连；所述定模的抽真空装置通过管路与定模型腔相连；所述定模和动模均有排水口，所述排水收集装置通过排水口与定膜和动模相连；所述烘干系统包括依次连接的加热装置、双向拉伸装置和定型装置，所述烘干系统通过传送带与加压抽滤模具相连。

作为优选，所述精密注射机另一端连接储料罐，所述储料罐中配有搅拌桨，用于充分混合纳米纤维素悬浮溶液。所述定膜和动模的尺寸独立地为40×40×15cm，且均有热电偶，用于测量模具温度；所述定膜型腔的尺寸为30×30×1cm。所述定模与动模中所述加压抽滤模具与烘干系统连接处设有机械手，所述机械手设有真空吸盘，用于吸附定模上由模腔顶出的纤维素膜，并将其转移至传送带上。

实施例中所述宏量湿法制备纤维素膜的方法，通过上述装置实现，主要包括以下步骤：

将纳米纤维素悬浮溶液由精密注射机注入定模，然后对定模内腔进行抽真空，同时动模处的液压滑块向定模方向移动，对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩；所述纳米纤维素悬浮溶液中的水分由抽真空装置抽出，并导入至排水收集装置，待所述水分被排出后进行开模，然后由定模上的模腔顶出纳米纤维素膜，转移至传送带并送至烘干系统中进行烘干、拉伸与定型处理，得到纳米纤维素膜。

作为优选，所述定膜和动模的温度为40～80℃；所述液压滑块前进速度0.5～2mm/min；所述对纳米纤维素悬浮溶液进行压缩时的注塑压力为70～120MPa。

实施例1

本实施例所使用的加压抽滤模具设备中，密封塞为动模，砂芯漏斗为定模，液压机的柱塞为液压模块。首先将定量纳米纤维素悬浮液倒入砂芯漏斗中，使用密封塞密封砂芯漏斗，然后通过液压机的柱塞施压密封塞，同时开启真空泵，同时进行压缩与真空排水。定膜和动模的温度为60℃，柱塞前进速度1mm/min；

本实施例所使用的加压抽滤模具装置如图3所示。

实施例2

本实施例制备纤维素膜的加压抽滤模具装置中的定膜和动模的尺寸均为40×40×15cm，定模模具型腔尺寸为30×30×1cm，纳米纤维素悬浮液温度为60℃，注塑压力100MPa，注塑量900ml，模具温度为60℃，液压滑块前进速度1mm/min，真空抽滤8分钟后，开模取出纤维素膜。

对比例1

使用实施例1中的真空抽滤装置，但不使用密封塞，并且不使用液压机进行压缩，仅通过真空泵对纳米纤维素悬浮液进行抽真空处理，其他实验参数与实施例1相同。

与对比例1中只采用抽真空的方式相比，实施例1中采用加压抽滤模具时，纳米纤维素与水的分离速度由10小时缩短为20分钟，生产效率显著提高。图5为抽真空(a)与压缩-真空排水(b)这两种成型方法下纤维素膜的形貌，由图可知，这两种成型方式制备得到的纤维素膜的微观形态基本一致，由此可知压缩-真空排水在提高纤维素膜生产效率的同时并没有改变膜的微观结构。

图3为纳米纤维素悬浮溶液黏度-温度变化曲线，本例对纳米纤维素悬浮液在不同温度下(20～60℃)的黏度进行了测试。

纳米纤维素悬浮液的黏度随温度的上升而显著下降，其黏度从20℃下的42mPa·s下降到60℃下的28mPa·s.因此可在真空压缩的过程中适当提高纳米纤维素悬浮液的温度，从而提高水的分离效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何熟悉本技术领域的人员在未背离本发明的精神实质与原理下想到的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应涵盖在本发明的保护范围之内。