[发明专利]一种高强度有机-无机均相复合材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种一种高强度有机‑无机均相复合材料，所述复合材料包括70wt％～90wt％的聚丙烯酰胺和10～30wt％的磷酸钙离子复合物。本发明还公开了一种制备高强度有机‑无机均相复合材料的方法，所述制备方法为：(1)在丙烯酰胺水溶液中加入磷酸钙离子复合物，再加入N,N‑亚甲基双丙稀酰胺的乙醇溶液，得到混合乳液；(2)通入氮气以除去混合乳液中的氧气；(3)再加入过硫酸铵作为引发剂，加入N,N,N',N'‑四甲基乙二胺作为催化剂，通过自由基引发乳液聚合，得到有机‑无机均相固体凝胶；离心和干燥后得到有机‑无机均相复合材料。本发明提供的有机‑无机均相复合材料具有优异的硬度与弹性模量，可以用作透明光学器件和高强度结构材料。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种高强度有机-无机均相复合材料的制备方法和应用。

背景技术

复合材料由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分组合而成，各组分之间有明显的界面存在。复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用，因而复合材料的研究是当今材料科学领域的一个研究热点。

有机-无机复合材料是一种分散均匀的多相材料，通过结合有机物与无机物两种组分的性质，使材料兼具有无机材料的高硬度、高强度、优良的光学性能和有机材料的强韧性、耐冲击、易加工、质量轻等优良特性。研究表明传统的有机-无机复合材料中由于存在固有的相界面，由此产生的缺陷使得复合材料的内部结构不连续，因此力学性能的提升受到了极大的限制。

为了进一步减小甚至消除有机与无机相之间的界面，一个理想的方案是在有机连续网络中引入超小尺寸的无机增强相，形成有机-无机均相互穿网络，比如有机硅材料，金属杂多酸盐分布于有机物网络中形成的双连续相结构材料，相较于单纯的有机成分，机械性能都有显著的提升。

因此，利用无机增强相进一步提升有机物的力学性能，在结构工程材料领域具有巨大的研究价值。

聚丙烯酰胺水凝胶是由丙烯酰胺单体经自由基引发聚合而成。聚丙烯酰胺水凝胶具有优异的力学性能，比如，高伸缩性，高弹性，自愈合等。通过进一步的复合功能纳米颗粒使得所制备的复合水凝胶具有更多的功能，比如，纳米球晶复合的聚丙烯酰胺水凝胶具有更高的超伸缩性；复合乙烯基硅纳米颗粒所制备的聚丙烯酰胺水凝胶用于超级电容器的电极材料。但，如何制备高强度和韧性的聚丙酰胺是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度有机-无机均相复合材料及制备方法，具有优异的硬度与弹性模量，可以用作透明光学器件和高强度结构材料。

一种高强度有机-无机均相复合材料，所述复合材料包括70wt％～90wt％的聚丙烯酰胺和10wt％～30wt％的磷酸钙离子复合物。

优选的，所述复合材料包括70wt％～77.5wt％的聚丙烯酰胺和22.5wt％～30wt％的磷酸钙离子复合物。此时，结合最佳比例的无机成分磷酸钙的强度和有机成分聚丙烯酰胺的韧性，所形成的均相复合材料的弹性模量与硬度均达到最大值，磷酸钙离子复合物过少，则硬度和弹性模量不高，磷酸钙离子复合物含量过高，则有机成分聚丙烯酰胺的聚合受到抑制，无法形成连续的有机-无机互穿网络，所获得的材料在宏观上表现为易脆。进一步优选的，所述复合材料包括77.5wt％的聚丙烯酰胺和22.5wt％的磷酸钙离子复合物。

本发明所述的磷酸钙离子复合物为[Ca₃(PO₄)₂]n,n＝2-3，所述磷酸钙离子复合物的直径为0.88±0.27nm。由于这种接近1nm的无机离子复合物的引入，具有小尺寸效应，使得最终获得的复合材料在纳米尺度上，无明显相界面。而传统无机增强相的尺寸远大于1nm，在复合材料中存在着明显的相界面，也就是缺陷，这也是传统复合材料性能提升受限的根本原因。