具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法和测试方法技术

本发明专利技术公开了一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法。首先以棉纤维为原料，制成一维尺度的纤维素纳米纤维CNF，然后添加一定质量比的二维尺度的氧化石墨烯纳米片GOP，将两者以溶液浇铸方式混合并以乙醇为凝固剂进行相分离再生，制成GOP为片状插层、CNF为缠结交联的凝胶体，再经过热压形成GOP/CNF复合薄片材料。本发明专利技术所制备的复合材料不但具有一定的拉伸断裂强度，一定的断裂伸长率，热稳定性好的优点，而且具有水感应的形变记忆功能，可广泛应用于生物医药，生物传感，智能穿戴等领域。

【技术实现步骤摘要】
具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法和测试方法
本专利技术所属技术范畴为具有水诱导形变记忆功能的复合材料，具体是涉及了一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法和测试方法。
技术介绍
纤维素作为自然界最丰富的可再生材料，具有可生物相容性好，可生物降解，具有一定的机械力学性能，被广泛应用于生物医学，纺织服装，食品，造纸等领域。纳米纤维素是随着纳米技术发展，从纤维素中分离出来结晶度更高，尺度更小的纳米材料，相比与普通的纤维素材料，它在机械力学性能，光学性能体现出纳米尺度所带来的优势。但是纤维素材料普遍存在如热稳定性差，弹性及弹性恢复性差，以及纤维素溶解再生后造成的力学性能劣化等缺点依然存在，限制了其在某些领域的应用。氧化石墨烯纳米片是石墨烯的氧化物，它不但保留了部分石墨烯二维片晶结构所具备的比表面积大，机械力学性能好，热稳定性好的优点，而且氧化石墨烯纳米片含各种如羟基，羧基能含氧基团，相比与石墨烯它可以在各种极性或非极性溶剂中良好分散。因此氧化石墨烯纳米片被广泛于复合材料中的功能改性填料。氧化石墨烯纳米片对纤维素改性的研究已经很多，但大多数集中在结构增强，提高热稳定性，吸附提纯，药物载体等方面，对于形变记忆功能的研究相对比较少，特别是水诱导的形变记忆功能研究，由此现有技术中缺少了具有水诱导的形变记忆功能的复合材料的制备和获取。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供了一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法和一种水诱导形变记忆功能测试方法。本专利技术所采用的技术方案是：一、一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料：所述复合材料主要由二维尺度2D的氧化石墨烯纳米片(GOP)与一维尺度1D的纤维素纳米纤维(CNF)在复合材料中插层缠结分布构成，氧化石墨烯纳米片(GOP)片层插入到纤维素纳米纤维(CNF)之间。优选地，氧化石墨烯纳米片(GOP)占纤维素纳米纤维(CNF)质量分数为1-2wt％。本专利技术通过氧化石墨烯纳米片(GOP)中含有大量含氧基团(羧基、羟基)与纤维素纳米纤维(CNF)中的羟基形成氢键链接，经过热压后形成一个以氧化石墨烯纳米片(GOP)片层为骨架，以一定长径比的纤维素纳米纤维(CNF)为缠结交联点的插层缠结结构(图1)。本专利技术特殊的插层缠结结构是实现水诱导形变记忆功能的基础，所达到的水诱导形变记忆功能包括：90％形变回复时间小于60s；100％形变回复时间小于120s；循环使用次数50次仍具有90％以上的形变回复功能。二、一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法：本专利技术以棉纤维为原料，制成一维尺度(1D)的纤维素纳米纤维(CNF)，然后添加一定质量比(1-2wt％)的二维尺度(2D)氧化石墨烯纳米片(GOP)，将两者以溶液浇铸方式混合并以乙醇(85％v/v)为凝固剂进行相分离再生，制成氧化石墨烯纳米片GOP为片状插层、纤维素纳米纤维CNF为缠结交联的凝胶体，再经过热压成GOP/CNF复合薄片材料。方法具体包括以下步骤：1)棉纤维预处理：将棉纤维依次进行除杂、脱脂、打碎、烘干的预处理，制成棉絮状纤维，然后将棉絮状纤维置于碱性、加热条件下充分溶胀，溶胀后再降温处理后加入次氯酸钠进行漂白，然后用去离子水反复冲洗并过滤掉未反应的氢氧化钠和次氯酸钠，直到溶液呈中性，即得预处理后的溶胀棉纤维；2)CNF水溶液制备：将步骤1)制得的溶胀棉纤维加入到乙酸和乙酸酐混合液中，以浓硫酸为催化剂，再置于超声波水浴中进行充分水解反应和部分乙酰化反应；取出后在常温下进行离心沉降，重复进行添加去离子水后进行离心沉降的操作直至除去未反应的乙酸和乙酸酐，溶液呈中性；取中性的沉降部分，沉降部分为水解并部分乙酰化的棉纤维，然后添加去离子水进行稀释后，放入均质机进行剪切剥离出纳米级微纤维，再离心去除沉降部分聚集的纤维素，制成CNF水溶液；3)GOP分散液制备：将粉体状GOP溶于水中，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂，在超声波水浴条件下进行分散，然后进行离心去除聚集的GOP沉降部分，制成GOP水分散液；4)GOP/CNF层状结构复合凝胶制备：将GOP水分散液和CNF水溶液混合，其中溶质部分的GOP对CNF质量占比1-2wt％，充分搅拌均匀；然后将GOP/CNF形成的混合液浇铸在一定尺寸的容器(容器尺寸按照后续平板硫化加工要求定制)中，常温下进行预干燥，GOP/CNF之间发生自组装并水分蒸发，然后用乙醇水溶液为凝固剂进行相分离再生，制成GOP/CNF复合凝胶，凝胶尺寸可按照后续加工要求定制，凝胶用去离子水反复冲洗并浸泡24h后，去除残余的乙醇，静置12小时预干燥；5)GOP/CNF复合薄片材料制备：将上述预干燥后的GOP/CNF复合凝胶用热压成膜设备加工成GOP/CNF复合薄片材料。所述步骤1)中打碎工艺为用植物粉碎机将棉纤维打碎成长度约1-2mm的棉絮状纤维。所述步骤1)中碱性、加热条件为在质量百分比为4wt％，温度为150℃的氢氧化钠水溶液反应；氢氧化钠水溶液与棉纤维的浴比为10：1；所述次氯酸钠与棉纤维的质量比为1：2，漂白时间为1h。所述步骤2)中制得的CNF长度为40-100μm，直径为200-400nm，长径比为100-500；特殊设定的长径比的CNF保证复合材料较大尺度范围的受力形变。如长径比在100-500范围内，均有一定的水诱导形变记忆功能，应归属本专利技术权利要求。本专利技术在CNF制备时，采用乙酸和乙酸酐混合(50wt％,50wt％)为纤维素水解及部分乙酰化反应剂，在去除棉纤维所含纤维素中的部分无定形区的同时，在纤维素表面发生乙酰化反应，提高纤维素的热稳定性。所述步骤2)的乙酸和乙酸酐混合液中乙酸与乙酸酐的质量百分比均为50wt％，浓硫酸的质量百分比为0.2wt％，溶胀棉纤维的浴比为10:1。所述步骤2)中超声波水浴装置设置为温度50℃、频率100Hz、功率为600-1000w。所述步骤3)中，GOP为市场采购的GOP，粉体状，片层数少于10层，直径2-3μm，所制得的GOP层数为5-8层；GOP片层数减少有利于GOP在CNF中形成插层结构，同时增加了比表面积可建立更多的GOP/CNF氢键链接。所述步骤3)中，加入的GOP的质量百分比为4wt％，加入的PVP分散剂的质量百分比为1wt％，所制得的GOP水分散液的质量分数为10-20mg/ml。所述步骤3)中超声波水浴装置温度设置为60℃，工作时间为8h。本专利技术利用PVP与GOP共轭效应形成PVP溶剂插层，阻止GOP片层的聚集；并在超声条件进一步剥离GOP片层(片层数5-8层)，制成稳定的GOP-PVP水分散液。所述步骤4)中相分离再生为乙醇水溶液和GOP/CNF混合液发生相交换后，凝固再生。所述步骤5)中，热压成膜设备采用平板硫化机，温度设置为105-115℃，压力设置为10-30Mpa，热压时间为2-3min，GOP/CNF复合薄片材料的厚度为100-200μm；热压成GOP/CNF具有一定平面取向度的GOP/CNF插层缠结结构的复合薄片材料。经过热压成型后，将原来的GOP/CNF空间网络交联变为平面交联，同时提高GOP插层与CNF在平面内的取向度，进一步提高平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料，其特征在于：所述复合材料由氧化石墨烯纳米片与纤维素纳米纤维在复合材料中插层缠结分布构成，氧化石墨烯纳米片片层插入到到彼此缠结的纤维素纳米纤维之间。

【技术特征摘要】
1.一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料，其特征在于：所述复合材料由氧化石墨烯纳米片与纤维素纳米纤维在复合材料中插层缠结分布构成，氧化石墨烯纳米片片层插入到到彼此缠结的纤维素纳米纤维之间。2.根据权利要求1所述具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法，其特征在于：以棉纤维为原料制成纤维素纳米纤维，然后添加氧化石墨烯纳米片，将两者以溶液浇铸方式混合并以乙醇为凝固剂进行相分离再生，制成以氧化石墨烯纳米片为片状插层、纤维素纳米纤维为缠结交联的凝胶体，再经过热压成氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维复合材料。3.根据权利要求2所述的一种具有水诱导形变记忆功能的GOP/CNF复合材料的制备方法，其特征在于所述方法具体包括以下步骤：1)棉纤维预处理：将棉纤维依次进行除杂、脱脂、打碎、烘干的预处理，制成棉絮状纤维，然后将棉絮状纤维置于碱性、加热条件下充分溶胀，加热溶胀后再降温处理后加入次氯酸钠进行漂白，然后用去离子水反复冲洗并过滤直到溶液呈中性，即得预处理后的溶胀棉纤维；2)纤维素纳米纤维水溶液制备：将步骤1)制得的溶胀棉纤维加入到乙酸和乙酸酐混合液中，以浓硫酸为催化剂，再置于超声波水浴中进行充分水解反应和部分乙酰化反应；取出后在常温下进行离心沉降，重复进行添加去离子水后进行离心沉降的操作，溶液呈中性；取中性的沉降部分，沉降部分为水解并部分乙酰化的棉纤维，然后添加去离子水进行稀释后，放入均质机进行剪切剥离出纳米级微纤维，再离心去除沉降部分，制成纤维素纳米纤维水溶液；3)氧化石墨烯纳米片分散液制备：将粉体状氧化石墨烯纳米片溶于水中，加入聚乙烯吡咯烷酮，在超声波水浴条件下进行分散，然后进行离心去除聚集的氧化石墨烯纳米片沉降部分，制成氧化石墨烯纳米片水相分散液；4)氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维层状结构复合凝胶制备：将氧化石墨烯纳米片水分散液和纤维素纳米纤维水溶液混合，充分搅拌均匀，然后将混合液浇铸在容器中，常温下进行预干燥，氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维之间发生自组装并水分蒸发，然后用乙醇水溶液为凝固剂进行相分离再生，制成氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维复合凝胶，凝胶用去离子水反复冲洗并浸泡24h后，去除残余的乙醇，静置12小时预干燥；5)氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维复合薄片材料制备：将上述预干燥后的氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维复合凝胶用热压成膜设备加工成氧化石墨烯纳米片/纤维素纳米纤维复合材料。4.根据权利要求1所述的具有水诱导形变记忆功能的G...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琳，刘逸新，姚菊明，李震，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33