【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于蜂窝材料，具体涉及一种改性互穿网络结构凝胶粉体及其制备方法和应用。
技术介绍
1、聚氨酯因其分散介质不同，可以划分为：溶剂型聚氨酯与水性聚氨酯（wpu）两大类。水性聚氨酯是聚氨酯树脂以水为分散介质的聚氨酯乳液。在结构上，带有离子基团的刚性链段是亲水的，而柔性链段则是起到疏水的作用；在性能上，它具有聚氨酯树脂的优异特性，在对环境的影响上，水性聚氨酯基本不含有或者只含有微量的有机化合物，具有绿色环保、安全无毒、制造成本低，应用领域多等特点。对无毒、不易燃和无空气污染树脂的需求促进了水性聚氨酯的快速发展。
2、水性聚氨酯的结构是由软段和硬段组成的分段聚合物，它的性能受到它的组成结构影响，软段和硬段构成了一种独特的分离微相，正是分离微相让其获得许多特性。水性聚氨酯在许多工业应用中都有很重要应用前景，如涂料、粘合剂、油墨、玻璃纤维、纸张浆料、合成皮革、生物材料、膜和包装薄膜以及防水纺织品等领域。
3、水性聚氨酯的软段结构由低聚物多元醇构成，软段对其耐水性和机械强度等性能影响较大；硬段结构由异氰酸酯与小分子扩链剂共同组成，硬段对其水性聚氨酯成膜后的硬度、乳液粒径以及粘结性能影响力较大。水性聚氨酯的结构可以在生产中调整，软段提供柔性，硬段提供刚性，影响其性能的主要因素是硬-软段和硬-硬段之间的氢键。软段含量提高，聚合物结晶程度提高，拉伸性能提高，但是多元醇容易水解，会导致耐水性变差。如果要提高水性聚氨酯的硬度和粘结力，可以适量的提高硬段含量，但硬段含量过高，会增加链段的化学惰性，阻碍分子链的扩散，导致粘结
4、水性聚氨酯涂料不仅要求高光泽度、保色性、抗划伤性和阻燃性，而且还可以保护材料免受水分、生物、化学药物的侵蚀，并且绿色安全无污染，常用于汽车、建筑、木器、纸张、皮革、织物涂层等领域。但水性聚氨酯涂料以水为载体，其耐腐蚀性不足是最大的缺点，在一定程度上影响了其在工业领域中的应用，再加之在实际应用中也存在诸多问题，如与水反应的过程中会产生大量的气泡，一是不好消除，二是气泡可能会残留在涂制的薄膜内，影响膜的各项性能。同时，水性聚氨酯涂料由于其固含量较低，分子间力较弱，其力学性能通常低于传统溶剂型聚氨酯涂料，成为制约其广泛应用的关键瓶颈。
5、共混改性是将已经制备出的wpu乳液与其他类别的乳液或者一些纳米材料直接物理共混，通过机械搅拌或超声分散使其分散均匀，从而制备出所需的功能性涂料。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。在聚合物中添加纳米粒子是提高高分子材料性能的重要方法之一，目前，用于增强和改善水性聚氨酯的纳米材料多种多样，主要包括：纳米纤维素、纳米金属粒子、纳米碳材料、纳米氧化物等。cn118852963a公开了一种热反射隔热保温涂料，纳米二氧化钛均匀的分散在纤维素气凝胶基体和聚氨酯涂层中，抑制纳米二氧化钛发生团聚，纤维素气凝胶提高了涂层的阻燃性能。cn117801653a公开了高弹疏水型辐射固化木漆肤感涂层，添加超支化的纳米纤维素水凝胶实现了涂层在木材表面的皮肤触觉性能，通过超支化的纳米纤维素水凝胶中-nh2基团和辐射光固化涂料中聚氨酯丙烯酸酯树脂-nco基团反应，提高了涂层物理力学性能及耐久性。cn110105531a和cn107474680a也公开了向涂料中添加凝胶材料提高涂料相应的性能。然而，上述技术仅仅是添加改性的纤维素凝胶，作为天然纤维材料，纤维素凝胶的力学性能较低；且纤维素凝胶具有较大的比表面积，由于分子之间的作用力以及氢键的影响，纤维素凝胶之间容易聚集，从而使其在聚氨酯涂料中的分散性和稳定性较差。同时，由于制备纤维素凝胶的过程比较复杂，成本较高，收率较低，不宜进行大规模的工业化。
6、另一方面， wpu是一种环保型粘结剂材料，其具有易改性、无污染等特点，在摩擦学领域有着极大的应用前景。然而，随着机械系统日益严苛的工作条件，由于纯 wpu涂层的耐磨性能与力学性能较差，其耐久性和使用寿命受到限制，纯 wpu体系涂层已无法满足要求的性能指标，因此很多研究人员引入微米或纳米材料制备水性聚氨酯基复合涂层以满足力学性能与摩擦学性能要求。在聚合物中添加纳米粒子是提高高分子材料性能的重要方法之一，目前，用于增强和改善水性聚氨酯的纳米材料多种多样，主要包括：纳米纤维素、纳米金属粒子、纳米碳材料、纳米氧化物等。wpu在摩擦学领域的研究已有一定进展，但是目前wpu涂层材料体系相对较少，仍需进一步探究其他润滑材料对wpu涂层摩擦学性能的改善作用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种改性互穿网络结构凝胶粉体及其制备方法和应用。该方法制备的凝胶粉体不仅具有互穿网络结构，尼龙树脂的引入进一步提高了纤维素凝胶的力学性能，而且尼龙树脂本身含有较多的酰胺基，大大提高了纳米纤维素与聚氨酯涂料的相容性；而无机纳米颗粒的添加进一步提高了凝胶材料的力学性能，用于聚氨酯涂料时，改善了 wpu 涂层的摩擦学性能。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，包括以下步骤：
4、（1）采用氨基硅烷偶联剂对无机纳米颗粒进行改性，制备得到改性无机纳米颗粒；
5、（2）将纳米纤维素的去离子水分散液置于酸性蒸气浴环境中进行蒸气处理，得到纳米纤维素水凝胶溶液；
6、（3）将尼龙粉末和聚乙烯吡咯烷酮溶解到酸性溶剂中得到尼龙溶液，然后将改性无机纳米颗粒加入尼龙溶液中，超声分散后获得尼龙混合溶液；聚乙烯吡咯烷酮与尼龙粉末的质量比为（0.01-0.4）：1；
7、（4）在搅拌条件下，采用带喷头的注射器将尼龙混合溶液注射到纳米纤维素水凝胶溶液中；喷头位于纳米纤维素水凝胶溶液液面以下；注射完毕后，经与去离子水溶剂交换，得到互穿网络结构的水凝胶；
8、（5）将互穿网络结构的水凝胶冷冻干燥，粉碎后得到改性互穿网络结构凝胶粉体。
9、纤维素是自然界中常见的高分子聚合物，广泛存在于棉类，麻类以及木材类等植物中，具有良好的生物相容性、可再生性、可生物降解性、环境友好性和无毒性等优点。纳米纤维素是由纤维素制得的，至少有一维空间尺寸达到100nm以下的纤维素。纳米纤维素复合水凝胶材料既保留了纤维素特有的理化性质，如亲水性、生物相容性、生物可降解、高化学活性以及尺寸稳定性，同时还兼容了微-纳加工工艺赋予的新结构特征，例如质轻，柔软，高比表面积，高结晶度，高强度，高模量并且具有温和的化学活性。由于纤维素纳米纤维表面具有丰富的羟基，使得纤维素表现出较高亲水性，在涂料中能够快速的形成均匀且稳定的纳米纤维素悬浮液，应用十分广泛。
10、但是，纳米纤维素力学性能较低，对涂层的性能提升有限；且纳米纤维素由于比表面积大，氢键作用强，易发生团聚，存在着与基质相容性欠佳，分散不均的问题。专利技术人在之前的工作中（cn118895018a）先制备石墨烯水凝胶，然后直接添加尼龙/纳米纤维素混合溶液；该方法纤维状填料仅能分散在水凝胶外部，无本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中改性无机纳米颗粒的具体制备工艺为：将无机纳米颗粒分散在乙醇和水形成的混合溶液中，然后再加入氨基硅烷偶联剂，在40-60℃下反应1-2h；反应结束后过滤，再用乙醇洗涤，干燥得到改性无机纳米颗粒。
3.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N-2-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、N-2-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中无机纳米颗粒为金属纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、碳纳米颗粒中的至少一种；无机纳米颗粒
5.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氨基硅烷偶联剂和无机纳米颗粒的质量比为（0.1-0.4）：1。
6.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（2）中纳米纤维素直径为10-100nm，长度为5-20μm；酸性蒸气浴为甲酸蒸气浴、乙酸蒸气浴、盐酸蒸气浴、硝酸蒸气浴中的至少一种；蒸气浴处理时间为4-8h；步骤（2）纳米纤维素水凝胶溶液中纳米纤维素含量为0.5-2wt%；步骤（3）纳米纤维素与尼龙粉末质量比为（1-2）：1；尼龙混合溶液中尼龙含量为1-5wt%；酸性溶剂为甲酸溶液、硫酸溶液中的至少一种；尼龙粉末和改性无机纳米颗粒的质量比为1：（0.1-1）。
7.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（4）中喷头带有1-4个喷口；喷口孔径为0.1-1mm；尼龙混合溶液注射速率为1-3mL/min；步骤（3）中尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙56、尼龙610、尼龙1212中的至少一种；步骤（4）中搅拌速率为600-800rpm。
8.一种改性互穿网络结构凝胶粉体，其特征在于：由权利要求1-7中任意一项所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法制得。
9.一种如权利要求8所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的应用，其特征在于，将改性互穿网络结构凝胶粉体用于聚氨酯涂料领域。
10.一种聚氨酯涂料，其特征在于：包含如下重量份的组分：水性聚氨酯分散液100份；权利要求8所述的改性互穿网络结构凝胶粉体0.5-5份。
...【技术特征摘要】
1.一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中改性无机纳米颗粒的具体制备工艺为：将无机纳米颗粒分散在乙醇和水形成的混合溶液中，然后再加入氨基硅烷偶联剂，在40-60℃下反应1-2h；反应结束后过滤，再用乙醇洗涤，干燥得到改性无机纳米颗粒。
3.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、n-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、n-2-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、n-2-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中无机纳米颗粒为金属纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、碳纳米颗粒中的至少一种；无机纳米颗粒平均粒径为20-200nm。
5.如权利要求1所述的一种改性互穿网络结构凝胶粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氨基硅烷偶联剂和无机纳米颗粒的质量比为（0.1-0.4）：1。
6.如权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫希利，刘晓非，闫一铭，
申请(专利权)人：苏州港睿通纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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