一种仿贝壳液态金属-海藻酸钠-文石片纳米复合块体材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种仿贝壳液态金属

【技术实现步骤摘要】
一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

技术介绍

[0002]天然贝壳珍珠层是由95vol％的文石相碳酸钙片和5vol％的生物有机聚合物交替堆垛组成，由于多尺度高度有序的“砖
‑
泥”层状结构和协同的界面相互作用有效地阻止了裂纹扩展，赋予了珍珠层优异的韧性。由于天然贝壳珍珠层和文石片之间力学性能的差异而受到研究人员的广泛关注。目前，研究人员已经通过生物矿化制备出碳酸钙(CaCO3)/聚合物层状结构复合材料，但其机械性能较差导致薄膜难以自支撑(Angew.Chem.Int.Edit.2005,44,6571
‑
6575)。为了进一步模拟珍珠层的结构，通过刻蚀掉珍珠层中的CaCO3来获得有机支架，重新矿化得到层状复合材料其力学性能仍然较低(Cryst.Growth Des.2011,11,729
‑
734)。直到最近，研究人员结合层层组装和生物矿化技术制备一系列自支撑层状复合材料，例如，Finnemore等人通过使用逐层沉积得到的多孔薄膜作为有机基质来介导CaCO3的生长，成功制造出具有虹彩色的人造珍珠层，但是由于这些碳酸钙为方解石型或多晶型，导致其力学性能低于天然珍珠层(Nat.Commun.2012,3,966)。与原位生长碳酸钙单晶不同，Li等人合成片状CaCO3单晶，利用蒸发诱导自组装法得到CaCO3/明胶复合薄膜材料，但是其拉伸强度和杨氏模量仍然低于天然珍珠层(Adv.Mater.2012,24,6277
‑
6282)。Mao等人采用冰模板法将壳聚糖组装成层状结构，随后将其乙酰化并模拟生物矿化过程对骨架进行矿化，热压获得结构和力学性能与天然珍珠层接近的人造珍珠层块体材料(Science,2016,354,107
‑
110)。在此基础上，Meng等人通过引入四氧化三铁颗粒来平衡片晶中的残余应力，提高人造珍珠层块体的断裂韧性(～3.5MPa
·
m
1/2
)(Adv.Mater.2022,34,2108267)。此外，这些制备工艺大都难以调控碳酸钙的晶型且较为繁琐，不利于可持续发展，同时界面作用弱导致力学性能较差，特别是缺乏功能特性，很大程度上限制了其发展和实际应用。
[0003]目前有关仿贝壳复合材料的相关专利有：一种海藻酸钠
‑
纤维素纳米晶
‑
碳酸钙三元纳米复合材料及其制备方法(CN113265091A)，一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法(CN110408087B)，一种纳米纤维素
‑
云母片复合板材及其制备方法(CN112094439A)，一种三维仿贝壳结构材料及其制备方法(CN108912602B)，一种仿贝壳珍珠层层状结构的复合材料及其制备方法、应用(CN105774182A)，一种块状仿生材料及其制备方法和应用(CN105079887A)，一种仿贝壳轻质高强复合材料及其制备方法(CN112266497B)，一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法(CN110978679B)等。然而这些专利存在制备工艺复杂、成本高、界面作用弱，缺乏功能特性等问题。因此，发展一种仿贝壳结构功能一体化的材料的规模化制备策略，且原料来源丰富、可持续，这对该领域的实际应用具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，能够成功制备出兼具高强度、高韧性以及导电的仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料。
[0005]本专利技术提供了一种自下而上的组装方法，通过刮涂法产生的剪切力诱导文石片取向排列，以及液态金属纳米颗粒的镓离子和海藻酸钠分子之间的离子键界面协同作用，制备得到具有导电性能的高力学性能的仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料。复合块体材料的弯曲强度为172
‑
231MPa，断裂韧性为4.52
‑
5.54MPa
·
m
1/2
，以及电导率为1
×
10
‑4‑9×
10
‑4S m
‑1。力学性能和电导率的提升主要是由于文石片的高取向度(取向因子为0.893)以及海藻酸钠与镓离子之间的离子键作用造成的。同时，聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB
‑
SEM)和广角X射线散射(WAXS)测试表明液态金属和SA的结合改善了文石片的取向，并且减少了文石片间的空隙。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案实现的：首先，通过化学剥离的方法从天然鲍鱼壳珍珠层中高效制备原料文石片；其次，结合刮涂和热压技术制备了一系列不同文石片和海藻酸钠含量的文石片
‑
海藻酸钠复合块体材料；然后，通过界面作用引入液态金属纳米颗粒，调控液态金属纳米颗粒的含量，制备高力学性能兼具导电特性的仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料。
[0007]本专利技术具体实现步骤如下：
[0008]一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)利用碱/尿素/水体系从鲍鱼壳珍珠层中剥离得到原料文石片，并分散到水溶液中；再采用偶联剂分子对文石片进行表面修饰，将得到改性后的文石片加入到去离子水中，制得文石片水分散液；
[0010](2)称取海藻酸钠溶解于去离子水中，配制成海藻酸钠溶液；
[0011](3)含有盐酸多巴胺的水溶液中超声处理块体液态金属，得到稳定分散的聚多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒水分散液；
[0012](4)将步骤(1)所得到的文石片水分散液、聚多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒水分散液和海藻酸钠溶液混合搅拌，得到液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片均匀分散液；
[0013](5)将步骤(4)所得到的液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片混合溶液通过刮涂法组装，然后干燥得到复合薄膜；
[0014](6)将步骤(5)所得到的复合薄膜通过裁剪堆叠，经润湿、交联后，热压得到仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料；
[0015]本专利技术中，碱/尿素/水体系是指碱、尿素和水的混合物。
[0016]进一步地，所述步骤(1)中，文石片水分散液的制备过程如下：采用切本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用碱/尿素/水体系从鲍鱼壳珍珠层中剥离得到原料文石片，并分散到水溶液中；再采用偶联剂分子对文石片进行表面修饰，将得到改性后的文石片加入到去离子水中，制得文石片水分散液；(2)称取海藻酸钠溶解于去离子水中，配制成海藻酸钠溶液；(3)含有盐酸多巴胺的水溶液中超声处理块体液态金属，得到稳定分散的聚多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒水分散液；(4)将步骤(1)所得到的文石片水分散液、聚多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒水分散液和海藻酸钠溶液混合搅拌，得到液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片均匀分散液；(5)将步骤(4)所得到的液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片均匀分散液通过刮涂法组装，然后干燥得到复合薄膜；(6)将步骤(5)所得到的复合薄膜通过裁剪堆叠，经润湿、交联后，热压得到仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料。2.根据权利要求1所述的一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，文石片水分散液的制备过程如下：采用切割机和砂纸去掉鲍鱼壳珍珠层的角质层和棱柱层得到珍珠层，将珍珠层压碎后加入含有尿素和氢氧化钠的水溶液中，氢氧化钠和尿素的质量比控制在30
‑
80％之间，搅拌1
‑
5天，经过抽滤，得到沉淀，用去离子水重复洗涤，真空干燥后得到文石片粉末；优选地，氢氧化钠和尿素质量比控制为50％，搅拌时间为2天；采用硅烷偶联剂对文石片进行表面修饰，其中硅烷偶联剂的浓度为0.5wt％
‑
10wt％，溶剂为乙醇和水的混合液，反应时间为4
‑
24小时；优选地，所述步骤(1)中，硅烷偶联剂为3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，浓度为5wt％，反应时间为10小时；将文石片粉末加入到去离子水中，经超声和搅拌得到文石片水分散液。3.根据权利要求1所述的一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，海藻酸钠溶液中，海藻酸钠的浓度为30mg/mL
‑
80mg/mL；优选地，所述步骤(2)中，海藻酸钠溶液中，海藻酸钠的浓度为50mg/mL。4.根据权利要求1所述的一种仿贝壳液态金属
‑
海藻酸钠
‑
文石片纳米复合块体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，聚多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒其粒径分布为200nm
‑
900nm，所述分散液中液态金属纳米颗粒的浓度为0.5
‑
1.5wt％，超声功率为200
‑
500W，超声时间为1
‑
4小时；优选地，盐酸多巴胺的浓度为2mg...

【专利技术属性】
技术研发人员：程群峰，严佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：