[发明专利]具有多级孔洞的三维支架、三维功能支架及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有多级孔洞的三维支架、三维功能支架及其制备方法，属于功能复合材料领域。本发明提供一种具有多级孔洞结构三维支架复合材料的制备方法，所述制备方法为：将刚性聚合物与聚乙烯吡咯烷酮用溶剂搅拌混匀制得均匀的聚合物溶液作为前驱液，然后将前驱液在一定的外界环境中诱导自组装形成所述具有多级孔洞结构的三维支架复合材料；其中，外界环境的条件包括：温度0～80℃，湿度50％～100％。本发明首次提出将刚性聚合物与PVP通过环境诱导自组装的方法能够得到具有多级孔洞结构的三维支架材料，该多孔支架结构稳定且具有均一完善的大孔结构和大量介孔、微孔存在。

技术领域

本发明涉及一种具有多级孔洞的三维支架、三维功能支架及其制备方法，属于功能复合材料领域。

背景技术

随着人类社会的不断发展，功能性支架材料的应用场景也越来越多，例如骨组织替换材料，吸附材料，超级电容，电池电极等领域。在这些诸多领域中，对支架材料的功能要求也是越来越高。那么如何能让支架材料在各自的领域有更好的表现呢，具有多级孔洞结构的三维支架便是一个很好的解决办法。由于在支架中存在尺寸不一样的空隙，这些尺寸不一样的孔洞便能发挥其对应的功能效果，这些功能效果的协同便能让功能性支架发挥出更好的效果。

比如多级孔洞在骨组织替换材料中，100um左右的大孔可以很好的为成骨细胞提供生活场所，同样也适合细胞长入。更小的介孔和微孔则会为成骨细胞的粘附提供附着点，而且小的孔系还可以加速称骨细胞外微环境的物质交换，为成骨细胞提供更好地生存环境，急速其增殖和分化。在吸附材料中大孔主要为材料提供更好的浸润能力，使得支架中溶液交换顺畅，小孔则能提供更多的比表面积为吸附提供更多的作用表面增加支架吸附量。

在电化学领域，这样的多级孔洞结构依然具有其独特的优势。例如在锂硫电池正极材料的应用中，首先多级孔支架由于多级孔的存在使得支架具有一定的形变能力，所以在结构十分稳定；支架中的大孔有益于电解质渗透和离子传输。支架中的介孔和微孔可以防止活性物质的损失和穿梭效应。所以用具有多级孔洞支架制备的电极材料具有较高的容量，很好的倍率性能和循环稳定性。超级电容材料对材料的要求也十分苛刻，需要完善空隙的同时还要求材料具有很高的比表面积；而具有多级空洞结构的支架就能很好的满足这些要求，大孔可以很好的满足电解液的浸润，大量存在的介孔则可以提供很多活性位点和大量的比表面积，大大增加超级电容的性能。

综上所知，具有多级孔洞结构的三维多孔凝胶在诸多领域都有其实际应用的意义和优势，而传统的制备具有多级孔洞结构的三维多孔凝胶的方法都比较麻烦，比如模板法，刻蚀法等。所以开发一种能够简单大规模制备具有多级孔洞结构的三维多孔凝胶的方法是十分有意义的，也是迫切需要的。

发明内容

针对上述缺陷，本发明旨在提供一种制备具有多级孔洞结构的三维多孔支架的方法，该方法可以通过改变往体系中添加的功能粒子来实现多孔支架的不同应用，且该制备方法简单还能实现规模化生产。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种具有多级孔洞结构三维支架复合材料的制备方法，所述制备方法为：将刚性聚合物与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)用溶剂搅拌混匀制得均匀的聚合物溶液作为前驱液，然后将前驱液在一定的外界环境中诱导自组装形成所述具有多级孔洞结构的三维支架复合材料；其中，外界环境的条件包括：温度0～80℃，湿度50％～100％。

进一步，上述方法中，刚性聚合物与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为10：1～1：2；优选为9：1～3：1。本发明中，当刚性聚合物如PAN多的时候，极限情况下，就是纯PAN的情况则不会形成多级孔洞结构，如图2a一样，只是多孔结构而已；PVP太多的时候，形成的大孔太大，导致支架的力学性能差。

进一步，所述外界环境还包括：施加流动气流，流动速率为0.1～3m³/s。

优选的，所述外界环境中所述温度为0～60℃。