[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及仿生结构力学材料技术领域，具体涉及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，尤其涉及一种仿贝壳珍珠层层状结构的轻质高强防火隔热复合材料及其制备方法、应用。

背景技术

仿生结构力学轻质高强复合材料的研究近三十年来一直处于热点地位。在众多的天然生物材料中，贝壳珍珠层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛的关注，已成为制备轻质高强超韧性层状复合材料的模型结构。典型的贝壳结构是由角质层、棱柱层和珍珠层构成，其中贝壳珍珠层由文石片碳酸钙(约95％)及有机质(约5％)组成，其韧性是文石片的3000多倍，其是由文石层与有机层层叠而成的“砖-泥”结构，在高倍电子显微镜下观察发现，文石层是由直径约5～8μm、厚度约为0.4μm的文石片堆叠形成。利用原子力显微镜对单个的文石片进行观察，发现文石片是由类鹅卵石多边形的纳米晶粒聚集而成，正是如此高度复杂精巧的多尺度、多级次组装结构使得贝壳显示出良好的力学性能。因而这种超常的力学性能归因于珍珠层独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构。经过世界各国科学家的努力，目前已经可以制备出一系列与贝壳珍珠层力学性能接近或超过其性能的仿生高强超韧性层状复合材料，涉及材料科学、机械和民用工程、航空航天等各个领域。

在这些材料中，多数为采用真空抽滤法、层层自组装(LBL)法制备的微米级薄膜材料，制备方法上讲，特别是LBL组装法相对费时，难以扩大化生产推广，制备出的这些微米级薄膜多数又为水溶性薄膜，易受空气湿度影响，稳定性低，在使用方面因而受限。如美国《科学》期刊2007年第318卷80页起报道了以蒙脱土纳米片和聚乙烯醇为原料，采用层层自组装(LBL)方法制备了300双层微米级薄膜，虽然薄膜拉伸性能较好，但是操作十分费时。因此，仿生材料领域目前出现了设计并制备三维体材料。最近几年，出现的宏观三维仿生材料是基于由上而下的原则先构造出框架，进而填充框架，最终制备出小尺寸块状材料。但此类方法虽能制备出力学性能较好的材料但是步骤繁琐且高耗能，亦不利于当前的宏量生产。如德国《先进材料》期刊2016年第28卷50页起报道了以磷酸钙微米片和甲基丙烯酸甲酯为原料，首先采用双向冷冻法制备出磷酸钙的层状框架，进而在框架表面修饰甲基丙烯酸甲酯，再加入引发剂引发聚合原位生成聚甲基丙烯酸甲酯，最后再通过热压致密化工艺得到力学性能较好的三维体材料。但此方法实验步骤较为复杂，涉及因素较多，当前还不利于扩大化生产，这也是当前出现的由上而下方法制备三维体材料的共同问题。

因此，设计简单高效的制备方法并寻找一种廉价易得的原材料制备出轻质高强多功能的宏观三维材料无论在科学研究上还是在工业推广应用上都显得尤为重要，这也成为本领域前瞻性的研究人员广泛关注的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供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，尤其是提供一种仿贝壳珍珠层层状结构的轻质高强防火隔热复合材料及其制备方法、应用。本发明提供的是一种软硬兼具的双网络、三组分轻质高强多功能的宏观三维材料。

本发明提供了一种仿贝壳珍珠层层状结构的复合材料，包括无机微纳片、软质聚合物和硬质聚合物；

所述软质聚合物和硬质聚合物形成交织网络结构，并复合在相邻的无机微纳片之间，形成仿贝壳珍珠层层状结构。

优选的，所述无机微纳片为软质无机微纳片；

所述软质无机微纳片包括蒙脱土纳米片、云母纳米片、碳酸钙纳米片、磷酸钙纳米片和氧化石墨烯纳米片中的一种或多种。

优选的，所述软质聚合物包括聚乙烯醇、壳聚糖、淀粉、明胶、蚕丝蛋白、聚乳酸、聚丙烯酸钠和聚己内酯中的一种或多种。

所述硬质聚合物包括酚醛树脂、不饱和聚酯树脂和环氧树脂中的一种或多种。

优选的，所述无机微纳片厚度为1～10nm，所述无机微纳片的侧尺寸为200～1000nm。

优选的，所述无机微纳片厚度为1～10nm，所述无机微纳片的侧尺寸为200～1000nm。

优选的，所述软质聚合物的聚合度为10～1000；所述软质聚合物的分子量为1500～45000；所述硬质聚合物的聚合度为100～50000；所述硬质聚合物的分子量为100000～2000000。

本发明提供了一种仿贝壳珍珠层层状结构的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将无机微纳片分散液、软质聚合物溶液和硬质聚合物溶液混合后，得到混合体系；

2)将上述步骤得到的混合体系成膜后，得到单层复合薄膜；