一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初处理水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；将所述初处理水凝胶依次层层堆叠，且相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。本申请的制备方法得到了一种具有极低热膨胀率、轻质高强、高抗冲击的取向螺旋结构的细菌纤维素材料。

【技术实现步骤摘要】
一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料及其制备方法
本专利技术涉及新材料研究
，尤其涉及一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料及其制备方法。
技术介绍
细菌纤维素是由葡萄糖分子以β-1，4糖苷键聚合而成的没有分支的高分子，这些线性葡萄糖链通过分子内和分子间氢键形成网状结构；因此在由葡萄糖形成纤维的过程中，这些分子发生了特征性的聚合和结晶，并形成了细菌纤维素超细的结构，从而造就了细菌纤维素良好的机械性能。因此，利用细菌纤维素制备新型的生物界材料具有重要的意义生物界材料是由性能并不突出的简单组元在相对温和的条件下组装而成，但其表现出优异的综合力学性能和功能特性，这主要得益于生物材料跨越不同尺度的复杂而巧妙的组织结构，特别是由此带来的独特的变形与断裂机制和强韧化机理。自然界中很多生物通过取向螺旋结构，来构筑高强高韧材料，例如亚马逊河的大马哈鱼的鱼皮为一维纳米纤维通过取向螺旋结构构筑而成，强度高韧性好，以此抵御食人鱼的攻击捕食。因此，借鉴生物界材料增强机理和机制，开发制备新材料至关重要。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，本申请制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料具有低热膨胀率、力学各向异性和高抗冲击性能。有鉴于此，本申请提供了一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初处理水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；>将所述初处理水凝胶依次层层堆叠，且相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。优选的，所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的1％～50％。优选的，所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的10％～30％。优选的，所述相邻初处理水凝胶的角度为0°～180°。优选的，所述相邻初处理水凝胶的角度为10°～80°。优选的，所述堆叠的层数为20～3000层。优选的，所述压缩的温度为10～200℃，所述压缩的时间为1～800MPa。优选的，所述细菌纤维素复合材料水凝胶为高分子和纳米材料中的一种或多种与细菌纤维素形成的水凝胶。本申请还提供了一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料，包括交叠放置的若干水凝胶层，所述水凝胶层由细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种经过拉伸后压缩得到，所述拉伸的方向为水凝胶的x方向和y方向形成的平面的任一方向，且相邻的水凝胶层的拉伸方向呈一定的角度。优选的，所述水凝胶层的层数为20～3000层。本申请提供了一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，其首先将水凝胶进行湿态拉伸，以得到初处理水凝胶，再将初处理水凝胶依次层层堆叠，且保证相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后即得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。本申请通过将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶湿态拉伸，使构成水凝胶的纳米纤维素沿拉伸方向取向，再将所述湿态拉伸后的水凝胶层层堆叠，相邻层间沿拉伸方向呈一定角度，压缩，在此过程中，具有微观取向结构的水凝胶中的纳米纤维素之间产生强氢键作用，呈一定角度堆叠使得复合材料具有螺旋结构，这些结构特点使得纳米纤维素材料除了具备纤维素板材本身性质之外，还具有特殊的力学性能，如螺旋结构使得复合材料材料冲击性能提升。另外，本申请采用的原料为天然纳米纤维素，其安全无毒无害，且可自然降解。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的照片；图2为本专利技术实施例1制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的微观照片(50μm)；图3为本专利技术实施例1制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的微观照片(1μm)；图4为本专利技术实施例1制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的弯曲应力-应变曲线图；图5为本专利技术水凝胶拉伸方向示意图；图6为本专利技术实施例1制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的落锤冲击曲线图；图7为本专利技术实施例2制备的取向螺旋结构的细菌纤维素材料的照片；图8为本实施例2制备的取向螺旋结构的细菌纤维素块材在不同应变下的弯曲应力-应变曲线图；图9为本专利技术实施例2制备的取向螺旋结构的细菌纤维素块材的落锤冲击曲线图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。针对现有技术中制备高性能仿生结构材料的问题，本申请提供了一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，其通过将细菌纤维素或细菌纤维素复合材料水凝胶预拉伸实现取向，再将拉伸后的细菌纤维素膜层层呈一定角度螺旋堆叠，压缩，得到一种去取向螺旋结构的细菌纤维素材料块材。该方法制备的细菌纤维素材料具有极低的热膨胀率、轻质高强、高抗冲击。该取向螺旋结构的细菌纤维素材料在制备过程中，首先将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶沿平面方向湿态拉伸，使构成水凝胶的纳米纤维素沿拉伸方向取向，再将所述湿态拉伸后细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶层层堆叠，且相邻层间的拉伸方向呈一定角度，压缩后即得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。具体的，本专利技术实施例公开了所述取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初处理水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；将所述初处理水凝胶依次层层堆叠，且相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。按照本专利技术，在制备取向螺旋结构的细菌纤维素材料的过程中，首先将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初始水凝胶；在上述湿态拉伸的过程中，构成水凝胶的纳米纤维素沿拉伸方向取向，使水凝胶的纳米纤维素取向化。如图5所示，图5为水凝胶的拉伸方向示意图。在上述湿态拉伸的过程中，拉伸的方向在x方向和y方向形成的平面的任一方向上拉伸，例如可以x方向上拉伸，也可以在y方向上拉伸，还可以在该平面内的其它方向上拉伸，对此本申请没有特别的限制。细菌纤维素微观上为由大量一维纳米纤维构成的网络，通过湿态拉伸即可实现纳米纤维素沿拉伸方向取向排列。所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的1％～50％，在具体实施例中，所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的10％～30％。所述湿态拉伸为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请没有特别的限制。本申请所涉及的水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种，其中细菌纤维素复合材料水凝胶为高分子和纳米材料中的一种或多种与细菌纤维素的水凝胶。所述细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶的来源本申请没有特别的限制，可以为市售产品，也可以按照现有技术中的方法制备。在上述湿态拉伸后，再将得到的初处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：/n将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初处理水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；/n将所述初处理水凝胶依次层层堆叠，且相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种取向螺旋结构的细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：
将水凝胶在沿x方向和y方向形成的平面的任一方向上湿态拉伸，得到初处理水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；
将所述初处理水凝胶依次层层堆叠，且相邻初处理水凝胶的拉伸方向呈一定角度，压缩后得到取向螺旋结构的细菌纤维素材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的1％～50％。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述湿态拉伸的程度为所述水凝胶初始长度的10％～30％。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相邻初处理水凝胶的角度为0°～180°。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相邻初处理水凝胶的角度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，管庆方，韩子盟，杨怀斌，凌张弛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34