本發明屬于復合材料，具體涉及一種纖維素納米晶增強復合材料及其制備方法和應用。
背景技術：
：：1、纖維增強的聚合物基復合材料由于具有質量輕、強度高等優點被廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域，以達到節約材料、減輕重量的目的。使用纖維增強的聚合物基復合材料制造的汽車由于質量大幅減輕，其耗油量遠遠低于鋼制汽車。同時，玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維增強樹脂基復合材料的機械強度也遠遠超過普通碳鋼，具有極高的比強度。然而，盡管當前使用的纖維增強復合材料具有無可比擬的優勢，但使用這類纖維制成的增強材料存在難以回收的問題，對環境造成了極大的負擔。2、納米纖維素作為一種綠色環保、可再生的新型功能高分子納米材料，由于其具有密度低、?比表面積大、剛性大等諸多優點，近些年來在樹脂材料增強領域受到了廣泛關注，已采用了許多方法制備了納米纖維素增強聚合物復合材料。alemdar等人（alemdar?a,sain?m.?biocomposites?from?wheat?straw?nanofibers:?morphology,?thermal?andmechanical?properties[j].?composites?science?&?technology,?2008,?68(2):?557-565.）采用共混溶液澆鑄法制備得到了納米纖維素-淀粉復合材料，使得納米復合材料的拉伸強度和彈性模量分別比純淀粉提高了77%和145%。prakobna等人（prakobna?k,gallands,berglund?l?a.?high-performance?and?moisture-stable?cellulose-starchnanocomposites?based?on?bioinspired?core-shell?nanofibers[j].biomacromolecules,2015,16(3):904-912.）采用“核-殼”結構法制備了納米纖維素-淀粉復合材料，他們將納米纖維素分散在支鏈淀粉溶液中，使淀粉包裹在纖維素表面形成核殼結構，經離心收集、干燥成膜制備得到了納米纖維素-淀粉復合材料。相較于在共混溶液澆鑄法中呈現無規則隨機分布，納米纖維素在采用“核-殼”結構法制得的復合材料中分布較為均勻，因此進一步提升了基體的力學性能。3、現有技術中制備的納米纖維素增強的聚合物基復合材料雖然在拉伸強度和彈性模量等力學性能方面取得了大幅提升，但納米纖維素在復合材料中通常呈現無規則的隨機分布，亦或是僅僅做到了均勻分散，其力學性能仍然存在較大的提升空間。4、因此，迫切需要開發一種綠色環保、力學性能好的纖維素納米晶增強復合材料。技術實現思路1、針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種纖維素納米晶增強復合材料及其制備方法和應用。所述纖維素納米晶增強復合材料具有雙取向結構，具有優異的力學性能。2、為達此目的，本發明采用以下技術方案：3、第一方面，本發明提供一種纖維素納米晶增強復合材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：4、（1）將纖維素納米晶和聚合物樹脂混合，經微流控裝置擠出，得到復合纖維，所述復合纖維中纖維素納米晶的質量百分比為2.5%~10.0%（例如3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%或9.0%等）；5、（2）將纖維素納米晶和膠粘劑混合，得到混合膠體；6、（3）將步驟（1）制得的復合纖維經過微流道中含有步驟（2）制得的混合膠體的微流控裝置，牽引，擠出得到表面包覆混合膠體的纖維，固化，得到所述纖維素納米晶增強復合材料。7、本發明中，步驟（1）將纖維素納米晶和聚合物樹脂加熱混合后，聚合物樹脂熔融得到混合流體，經微流控裝置擠出，得到復合纖維，復合纖維中纖維素納米晶在微流控裝置擠出的作用下沿擠出方向取向，大幅提升了聚合物樹脂基體的各項力學性能；步驟（2）將纖維素納米晶和膠粘劑混合中形成混合膠體；步驟（3）將所述復合纖維經微流控裝置擠出，所述微流控裝置的微流道中含有步驟（2）制得的混合膠體，從而形成表面包覆混合膠體的纖維，其經集束、堆疊，相互接觸合并可形成不同尺寸的片材或纖維產品。混合膠體中纖維素納米晶經微流控裝置擠出時沿復合纖維方向取向，增強了復合纖維間的粘接強度，在復合纖維間起到了有效的連接作用。所述纖維素納米晶增強復合材料中纖維素納米晶分別在復合纖維和混合膠體中沿同一方向取向，形成了雙取向結構，二者具有協同作用，制得的纖維素納米晶增強復合材料具有優異的力學性能。8、本發明中，步驟（1）所述復合纖維中纖維素納米晶的質量百分比在一定的范圍內時，所述纖維素納米晶含量越高，制得的纖維素納米晶增強復合材料的力學強度越高。但若纖維素納米晶的質量份數過高，則纖維素納米晶自身發生氫鍵結合的比例增加，易出現團聚，不能有效增強復合纖維強度，步驟（1）所述復合纖維中纖維素納米晶的質量百分比為2.5%~10.0%。9、優選地，所述聚合物樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一種或至少兩種的組合。10、優選地，所述復合纖維的直徑為10.0~200.0?μm，例如20.0?μm、40.0?μm、60.0?μm、80.0?μm、100.0?μm、120.0?μm、140.0?μm、160.0?μm或180.0?μm等。11、優選地，步驟（2）所述混合膠體中纖維素納米晶的質量百分比為5.0%~30.0%，例如8.0%、11.0%、14.0%、17.0%、20.0%、23.0%、26.0%或29.0%等，進一步優選為15.0%~25.0%。12、本發明中，所述混合膠體中纖維素納米晶的質量百分比在一定范圍內時纖維素納米晶質量百分比越高，混合膠體粘接強度越高，但纖維素納米晶添加量過高，則纖維素納米晶自身容易形成團聚，膠粘劑難以對纖維素納米晶實現浸潤包覆，二者相容性變差導致固化后纖維素納米晶增強復合材料的力學性能下降。為保證粘接質量，所述混合膠體中纖維素納米晶的質量百分比優選為5.0%-30.0%。13、優選地，所述膠粘劑包括環氧樹脂膠粘劑、丙烯酸酯膠粘劑、聚氨酯膠粘劑或硅膠中的任意一種或至少兩種的組合。14、優選地，所述聚氨酯膠粘劑包括雙組份聚氨酯和/或單組分聚氨酯。15、優選地，所述聚氨酯膠粘劑包括水性聚氨酯。16、優選地，所述聚氨酯膠粘劑包括紫外光固化聚氨酯。17、優選地，所述纖維素納米晶增強復合材料中復合纖維的質量百分比為30.0%~80.0%，例如35.0%、40.0%、45.0%、50.0%、55.0%、60.0%、65.0%、70.0%或75.0%等。18、本發明中，所述纖維素納米晶增強復合材料中復合纖維的質量百分比優選為30.0%~80.0%，若復合纖維的質量百分比過低，則制備得到的纖維素納米晶增強復合材料的強度較低；若復合纖維的質量百分比過高則膠粘劑無法完全浸潤包覆復合纖維無法對復合纖維形成有效粘接。19、優選地，步驟（1）和步驟（3）所述微流控裝置的微流道擠出口直徑各自獨立地為10.0~300.0?μm，例如30.0?μm、60.0?μm、90.0?μm、120.0?μm、150.0?μm、180.0?μm、210.0?μm、240.0?μm或270.0?μm等。20、本發明中，所述微流控裝置的微流道擠出口直徑為10.0~300.0?μm，本領域技術人員可以根據需要制備的復合纖維直徑以及纖維素納米晶增強復合材料中復合纖維的質量百分比來選擇步驟（1）和步驟（3）中所需的微流控裝置的微流道擠出口直徑。21、優選地，步驟（1）所述混合為采用雙螺桿擠出機進行混煉。22、優選地，步驟（1）和步驟（3）所述擠出的速率各自獨立地為0.5~6.0米/分鐘，例如1.0米/分鐘、1.5米/分鐘、2.0米/分鐘、2.5米/分鐘、3.0米/分鐘、3.5米/分鐘、4.0米/分鐘、4.5米/分鐘、5.0米/分鐘或5.5米/分鐘等。23、優選地，步驟（2）所述混合為采用行星式離心混合機進行混合。24、需要說明的是，所述固化的溫度等條件本領域技術人員可以根據所用膠粘劑體系進行調整。25、優選地，所述制備方法具體包括如下步驟：26、（1）將纖維素納米晶和聚合物樹脂混合，經微流控裝置擠出，得到復合纖維，所述復合纖維的直徑為10.0~200.0?μm。27、（2）將纖維素納米晶和膠粘劑混合，得到混合膠體，所述混合膠體中纖維素納米晶的質量百分比為5.0%~30.0%。28、（3）將步驟（1）制得的復合纖維經過微流道中含有步驟（2）制得的混合膠體的微流控裝置，牽引，擠出得到表面包覆混合膠體的纖維，固化，得到所述纖維素納米晶增強復合材料，所述纖維素納米晶增強復合材料中復合纖維的質量百分比為30.0%~80.0%。29、步驟（1）和步驟（2）不分先后順序分步進行，或者同時進行。30、第二方面，本發明提供一種纖維素納米晶增強復合材料，所述纖維素納米晶增強復合材料采用如第一方面所述的制備方法制得。31、第三方面，本發明提供一種如第二方面所述的纖維素納米晶增強復合材料在手機后殼材料或汽車保險杠材料中的應用。32、相對于現有技術，本發明具有以下有益效果：33、本發明中，所述復合纖維中纖維素納米晶沿擠出方向取向，大幅提升了聚合物樹脂基體的各項力學性能，使制得的纖維素納米晶增強復合材料具有優異的力學性能；在纖維素納米晶增強復合材料制備過程中混合膠體中的纖維素納米晶沿復合纖維方向取向，增強了粘接強度，在復合纖維間起到了有效的連接作用。纖維素納米晶分別在復合纖維和混合膠體中沿同一方向取向，形成了雙取向結構，二者具有協同作用，制得的纖維素納米晶增強復合材料具有優異的力學性能，所述纖維素納米晶增強復合材料的彎曲強度為64.9~86.1mpa，彎曲模量為3.2~5.9?gpa。當前第1頁12當前第1頁12