高压均质法对纳米纸表面形貌与光学性能的影响

2018-11-15 09:46:44

纳米纸(纳米纤维素膜)作为一种新型的柔性透明基底,将逐步取代传统塑料基底应用于新一代绿色电子元器件.纳米纸在光学性能上的差异对其实际应用具有重要影响.较强的前光散射会使纳米纸产生雾度,高的雾度可以起到防炫光的作用,这在室外显示领域显得尤为重要.而低雾度、高透光率的纳米纸可在高清显示领域更有应用价值.目前,纳米纸制备方法主要有浇铸法与真空抽滤法.浇铸法是将均匀分散的纤维素纳米纤丝(CNFs)溶液浇铸在敞口容器中,随着水分的蒸发而逐渐成膜.真空抽滤法主要包括过滤CNFs溶液和干燥所得凝胶层2个阶段.本文以直径20～25nm、长度几百纳米到几微米的纤维素纳米纤丝(CNFs)为原料分别采用真空抽滤法、浇铸法制备出厚度在40～50μm的透明纳米纸.使用,SEM、AFM、紫外/可见/近红外分光光度计,研究了两种工艺对纳米纸的表面形貌、表面粗糙度以及其对光学性能的影响.    
仪器和材料

Nano30-4微射流高压均质机:美国BEE;MP521型实验室pH/电导率测量仪:上海三信仪表;ZetasizerNano型纳米粒度Zeta电位仪:英国马尔文;Q5000IR型热重分析仪:美国TA;ULtima IV型X射线衍射仪:日本理学;JEM-1400型透射电子显微镜:日本电子;DHG-9030A型电热恒温热鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;DimesionEdge型原子力显微镜:德国布鲁克;FEI Quanta-200型扫描电镜:日本理学;Lambda950型紫外/可见/近红外分光光度计:美国PE公司.针叶木浆:实验室自制;2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基:百灵威公司;其它试剂均为分析纯,购于上海试剂厂.
实验及结果

称取1g绝干纤维(经机械预处理),0.016gTEMPO,0.16gNaBr配成质量分数1％混合溶液.然后将4.12ｍL次氯酸钠,分4次每隔1h加入混合液中,并于25℃恒温反应4h,整个体系pH值控制在10～10.5.反应结束时加入10ｍL无水乙醇,终止反应.接着将所得TEMPO氧化纤维浆在3000r/min下离心10min,重复数次.离心结束后取离心管底部凝胶物质透析至电导率稳定.较终将样品稀释至1％,通过高压均质机,在155Mp a压力下均质10min制得CNFs,4℃的条件下冷藏保存.

将均匀分散的质量分数0.5％纤维素纳米纤丝(CNFs)溶液浇铸在培养皿中,35℃下干燥,成凝胶状后移至室温放置数天,使凝胶中水分缓慢蒸发直至成膜.较后将制备出的纳米纸置于23℃、50％RH 环境下,平衡水分24h.将均匀分散的质量分数0.5％纤维素纳米纤丝(CNFs)溶液,通过0.22μｍ的有机偏氟膜过滤,在滤膜上得蛋糕状凝胶层.室温下放置10h,使凝胶中所含水分缓慢蒸发,凝胶进一步固化.然后将凝胶层置于两张干净的滤膜间,在98℃、1MPa下热压10min得纳米纸.较后将制备出的纳米纸置于23 ℃、50％RH环境下,平衡水分24h.

通过TEMPO氧化作用,纤维素分子链C6上的羟基被选择性氧化成羧基(测得羧基含量为1.517mmol/g).羧基官能团的引入成功削弱了纤维内部的氢键结合力,再结合高压均质作用便能够从TEMPO氧化纤维中抽离出CNFs[11].CNFs直径分布在20～25nm之间,长度在几百到几微米.当纤维尺寸降至纳米级后,其水溶液变得透明,并且具备了纳米溶液的丁达尔效应.但纤维表面能的提高,使得纤维间具有相互聚集和絮凝的趋势,这一问题限制了CNFs在实际中的应用.TEMPO氧化处理,成功地在纤维表面引入羧基基团,提高了CNFs的水溶性,同时因羧基基团带负电性,纤维之间存在静电斥力作用使得CNFs能够稳定地分散在水溶液中.使用纳米粒度Zeta电位仪对质量分数0.5％CNFs水溶液进行测试,得溶液的Zeta电位为-55ｍV,证实了制备的CNFs水溶液体系处于一个较为稳定的状态.普通纸张内部光散射现象严重呈现出不透光性,但随着纤维直径不断减小直至纳米级后,纤维对光的散射性能减弱.同时由于纳米纤维之间紧密交织在一起,孔隙率低,减弱了纤维表面与空气的界面处光散射,使得纳米纸具备较高的透光性.为了更具对比性选用40～50μｍPET膜基底作为参照样.

3种样品中纳米纸(浇铸法)透明度可高达,PET膜次之,纳米纸(真空抽滤法)较低.在600nm处透光率分别为89％、85％、80.01％.为了更加直观地体现试样透明度的差异,将2种纳米纸与PET膜放置在印有图案的纸张上.透过纳米纸(浇铸法)与PET膜可清晰看到底部图案,而纳米纸(真空抽滤法)底部图案却略显模糊.

成型方法对纳米纸表面形貌与光学性能的影响.pdf

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