一种具有植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜的制备方法与流程

本发明属于电子器件设备绝缘隔膜结构设计领域，具体涉及一种利用六方氮化硼(bn)/聚乳酸(pla)/木质素纳米颗粒(lnp)/纳米纤维素微纤丝(cnf)构建植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着现代化电子设备和元器件不断向小型化、集成化、大功率化发展，轻型柔性的绝缘材料的研发越来越收到关注。在电子设备工作过程中，需要将电子器件封装起来，降低器件运行过程中出现漏电、短路等问题。绝缘材料可以有效及的阻止电子元件出现故障时，导致的电子元件的损坏与电路泄露导致人员受伤与器件短路引起的火灾现象，维持设备的正常运转。现在已经开发的绿色可降解的绝缘绝缘材料，普遍存在绝缘性能差、强度低等缺点。并且为了提高复合材料的强度，通常采用化学交联的方法，不仅工序复杂不易操作，而且许多交联剂的使用污染环境，不符合绿色环保的要求。为了保证绝缘材料的高效率使用，有效的把电子器件内部产生的热量及时传导出去，研发一种绝缘性能优良，机械强度好，可自然降解的环境友好型复合材料是非常有价值的。

2、目前，效法自然已经成为一种设计材料的风向，例如，贝壳的层状结构适合需要高机械强度的材料、莲花叶的疏水结构适合超疏水材料设计。而绝缘膜材料结构也可以引入相似的设计思想。纤维素、半纤维素和木质素是植物细胞壁的主要成分。纤维素是一个线性生物聚合物，在细胞壁中通过纵向与横向的交错，形成细胞壁的骨架与通道，木质素则凭借其苯丙烷刚性结构，在细胞壁中起到支撑作用，而半纤维素的结合贯穿两者之间起到黏合剂作用，并且减少两者间的界面空隙并赋予细胞壁稳定与结构刚性，由此可以看出，植物细胞壁是一个具有三维通道且具有良好刚性的结构。

3、已有的绝缘膜材料，通常是通过添加复合材料中引入高分子材料，增加复合膜材料的机械性能。上述方法的缺陷是，导致绝缘填料之间存在许多孔隙，材料的绝缘性能变差的同时也降低复合材料本身的机械性能。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型的具有细胞壁仿生结构的纤维素基绝缘膜，通过膜自身的三维立体结构增加其机械性能与绝缘性能，降低了对现有材料对高分子引入的增加机械性能的局限性，提出了通过植物仿生结构提供材料自身刚性的新的设计思路与制备方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种具有植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、1)将纳米木质素磺酸盐颗粒粉末溶于水中，20～30℃溶解得到lnp溶液，将bn粉末分散于所述lnp溶液中，20～30℃搅拌，得到lnp-bn分散液；

4、2)将lnp-bn分散液与cnf悬浮液混合均匀，20～30℃搅拌混合均匀，得到均匀的lnp-bn/cnf混合液；冷冻干燥后得到lnp-bn/cnf气凝胶；

5、3)将pla溶液浇铸于所述lnp-bn/cnf气凝胶上，进行干燥，得到复合膜；

6、4)干燥结束后，对复合膜进行压光，得到lnp-bn/cnf/pla绝缘复合膜材料。

7、其中，步骤1)中，所述纳米木质素磺酸盐颗粒粉末通过如下方法制备得到：将1～5wt.％浓度的硫酸盐法制浆过程中产生的黑液在50～70℃恒定温度下搅拌20～40min，随后逐滴加入硫酸，使混合物的ph值达到1，均匀搅拌20～40min，经过洗涤、抽滤、干燥，得到ph＝7的lnp纳米颗粒。通过此方法制备得到的lnp纳米颗粒的粒径大约50～60nm。

8、其中，步骤1)中，lnp溶液的浓度为0.1wt％-2.0wt％，lnp-bn分散液中bn的浓度为2～4wt％。这个浓度范围的bn更容易在lnp溶液中完全分散开，有利于下一步灌注到cnf气凝胶中分散开，减少bn间的团聚，从而降低绝缘性能。

9、步骤2)中，bn与cnf的固含量之比为1～3:1，lnp-bn/cnf混合液的浓度为0.1～0.5wt％，20～30℃搅拌10～30min后冷冻干燥，得到lnp-bn/cnf气凝胶。

10、步骤3)中，所述pla溶液浓度为1～3wt％，pla溶液与lnp-bn/cnf混合液的固含量之比为1～3:2。

11、步骤3)中对lnp-bn/cnf气凝胶浇注之后在20～30℃条件下风干干燥。

12、步骤4)中，在0.2～0.5mpa压力下对复合膜进行压光得到lnp-bn/cnf/pla绝缘复合膜材料。

13、通过上述制备方法得到的具有植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜同样在本发明的保护范围内。

14、有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：

15、(1)本发明通过设计出一种新型的具有细胞壁仿生结构的纤维素基绝缘膜，通过膜自身的三维立体结构增加其机械性能与绝缘性能，降低了对现有材料对高分子引入的增加机械性能的局限性，提出了通过植物仿生结构提供材料自身刚性的新的设计思路与制备方法。

16、(2)使用绿色环保的pla作为增强剂增强了bn/lnp/cnf绝缘复合膜的机械强度，提高了复合膜的绝缘系数，克服了已有材料强度差、绝缘能力低的缺点，获得具有优良绝缘性能及机械强度的bn/pla/lnp/cnf绿色环保绝缘复合膜材料。

技术特征：

1.一种具有植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纳米木质素磺酸盐颗粒粉末通过如下方法制备得到：将1~5 wt.%浓度的硫酸盐法制浆过程中产生的黑液在50~70 ℃恒定温度下搅拌20~40 min，随后逐滴加入硫酸，使混合物的ph值达到1，均匀搅拌20~40 min，经过洗涤、抽滤、干燥，得到ph=7的lnp纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，lnp溶液的浓度为0 .1wt％~2 .0wt％，lnp-bn分散液中bn的浓度为2~4 wt％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，bn与cnf的固含量之比为1~3:1，lnp-bn/cnf混合液的浓度为0.1~0.5 wt.％，20~30℃搅拌10~30 min后冷冻干燥，得到lnp-bn/cnf气凝胶。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述pla溶液浓度为1~3wt％，pla溶液与lnp-bn/cnf混合液的固含量之比为1~3:2。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中对lnp-bn/cnf气凝胶浇注之后在20~30℃条件下风干干燥。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，在0.2~0.5 mpa压力下对复合膜进行压光得到lnp-bn/cnf/pla绝缘复合膜材料。

8.权利要求1-7一项所述的制备方法得到的具有植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜。

技术总结
本发明公开了一种具备植物细胞壁仿生结构的绝缘复合膜的制备方法，属于绝缘隔膜材料结构设计领域。该方法采用LNP为h‑BN的高效分散剂，得到LNP‑BN分散液；然后与CNF混合均匀，冷冻干燥制备得到LNP‑BN/CNF气凝胶；然后将PLA溶液浇铸于所述LNP‑BN/CNF气凝胶上，干燥压光后得到LNP‑BN/CNF/PLA绝缘复合膜材料。本申请提出一种新型的绝缘材的仿生结构设计方法，此种绝缘膜材料具有细胞壁仿生结构的复合膜具有更优异的机械强度性及绝缘性能，可作为电子设备及其元器件内部绝缘包装材料使用，未来将具有广泛应用领域。

技术研发人员：苏晨,吴珽,朱北平,房桂干,邓拥军,焦健,田庆文,梁芳敏,沈葵忠
受保护的技术使用者：中国林业科学研究院林产化学工业研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16