[发明专利]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

说明书

本发明属于复合材料技术领域，提供了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，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装形成仿贝壳珍珠层结构。本发明通过仿生贝壳珍珠母有机‑无机相间的层状“砖泥”结构，开发出了一种环保高强度的木质纤维基复合材料，制备出的木质纤维基复合材料具有较高的力学强度。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及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。

背景技术

自然界中的许多生物材料，例如贝壳、珍珠、骨骼、牙齿等均是有机和无机相结合的典范，经过数亿年的选择进化形成了具有复杂精细的多级微纳米结构，在拥有高强力学性能的同时，兼具高韧和轻质特性。其中，贝壳的珍珠层是最为典型的代表。贝壳珍珠层是由95％的文石片(碳酸钙)和少量的有机生物大分子聚合物(1％～5％的蛋白质/多聚糖基)相互交替迭层而成，具有“砖泥”微纳层状结构，其强度、模量和韧性分别高达80～170MPa，40～70GPa和1.24KJ﹒m^-2，韧性为其组成相文石的3000倍。材料微观结构结决定了其宏观力学性能，贝壳之所以具有如此优良的力学强度和韧性，主要源于其特殊的有机-无机微纳多层级结构，在遭受外力时，硬质文石片的交替存在可以使应力发生偏转，同时生物大分子聚合物内部以及与无机盐之间在分子层面上所形成的牺牲键，能转移应力和耗损能量。

木质纤维是一种来源丰富、价格低廉、比强度高的天然可再生生物质资源，以其为原材料制备的木质纤维基复合材料被广泛应用于建筑装饰和家具。然而，目前，所制备的木质纤维复合材料普遍存在力学强度不高或者需要使用甲醛类胶黏剂，一方面限制了其使用范围，另一方面木质复合材料使用过程中使用的甲醛会影响人们的居住健康。因此，通过环保型无机纳米材料和聚合物膜材料，仿生贝壳有机-无机微纳多层级结构的有望制备出环保高性能木质纤维基复合材料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供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，以提高木质纤维基复合材料的力学强度。

第一方面，本发明提供的一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装形成仿贝壳珍珠层结构。

可选地，包括如下步骤：

步骤S1：将木质纤维加入到水中搅拌均匀，再继续加入纳米片材，并研磨处理，获得木质纤维纳米片悬浮液；

步骤S2：将步骤S1中的木质纤维纳米片悬浮液抽滤成负载纳米片材的木质纤维膜，并进行预压干燥处理；

步骤S3：将步骤S2中的负载纳米片材的木质纤维膜与高分子聚合物薄膜交替叠加，并预压成型；

步骤S4：对步骤S3成型的板材进行热压成型。

可选地，所述纳米片材包括纳米片状三氧化二铝、氮化硼、氧化石墨烯、纳米蒙脱土、纳米片状磷酸钙或纳米云母片；

所述高分子聚合物薄膜包括聚乙烯醇薄膜、聚乳酸薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚酯薄膜；

高分子聚合物薄膜的尺寸为150mm*150mm*0.1mm。

可选地，所述步骤S1中，每1L水中加入25g绝干木质纤维，所述纳米片材与所述木质纤维的质量比为1～10:100；

所述研磨处理的时间为2～8h。

可选地，所述步骤S2中，所述预压干燥处理的温度为80℃，时间为5min，压力为2.5Mpa；

此步骤中的预压步骤的目的是使木质纤维膜更加干燥。

可选地，所述步骤S3中，预压成型的温度为常温，压力为5MPa，时间为5min；