[发明专利]一种仿鲍鱼壳蒙脱土-聚二甲基硅氧烷纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种仿鲍鱼壳蒙脱土‑聚二甲基硅氧烷纳米复合材料的制备方法，通过冰模板技术，将天然蒙脱土和聚乙烯醇组装成为层状多孔骨架，并渗入聚二甲基硅氧烷构筑仿鲍鱼壳层状结构。通过引入聚集诱导发光分子，实现层状骨架的荧光功能化。该仿鲍鱼壳结构高韧纳米复合材料实现了对聚二甲基硅氧烷的增强增韧，同时，可以借助共聚焦荧光显微镜表征材料的微观结构和断裂过程，更加直观地得到增强增韧的机理。相比于传统的电子显微镜，荧光功能化后进行的表征过程可以避免样品表面形貌的干扰，辨别不同的组分，不受样品导电性的影响，且可以获取样品的三维结构信息。

技术领域

本发明涉及一种仿鲍鱼壳蒙脱土-聚二甲基硅氧烷纳米复合材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

聚二甲基硅氧烷是目前常用的软材料之一，由于其具有优异的生物相容性和稳定性、高透明度以及易成型性，在微流体，组织工程，柔性设备，可穿戴设备以及许多其他领域中具有广阔的应用前景。然而，聚二甲基硅氧烷的杨氏模量极低，对于许多此类应用，聚二甲基硅氧烷的模量和承重能力急需改善。改变交联密度可以有效地将杨氏模量从0.05MPa增加到大约2MPa(Biomaterials,2017,145,23.)。但是过强的交联也可能导致聚二甲基硅氧烷的拉伸性能受损。例如，含有环硼氧烷作为交联剂的聚二甲基硅氧烷聚合物网络，可以将杨氏模量提高到182MPa的极高值，但断裂伸长率仅约为10％(Adv.Mater.,2016,28,8277.)。此外，玻璃化转变温度(T_g)也会升高到65℃，这表明聚二甲基硅氧烷-环硼氧烷在室温下不会起到弹性体的作用。然而，在自然界中，具有高杨氏模量的可拉伸材料相当普遍，例如皮肤、角质等，在不限制动物的运动的前提下，提供了有效的保护作用(J.Exp.Biol.1989,145,79.)。

同时，聚二甲基硅氧烷的韧性仍然远远低于天然橡胶1–2个数量级(J.Polym.Sci.,1953,10,291.)。目前，对软材料(包括水凝胶和弹性体材料)的增韧方法主要包括：纳米填料增韧、构筑双网络结构以及设计宏观增强结构。纳米填料与基体高分子之间的界面作用是增韧的关键。例如，将二氧化硅与聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)(poly(dimethylacrylamide)，PMDA)水凝胶复合，可以将韧性提高8倍(Macromolecules,2010,43,2554.)。最近，利用液态金属颗粒增韧的聚二甲基硅氧烷，通过诱导裂纹的偏转，可以使得韧性提高50倍(Adv.Mater.2018,30,e1706594.)。另外，弹性体或水凝胶的韧性也可以通过双网状结构显著提高。例如，通过构筑的双网络或三网结构中，牺牲链的能量耗散，可以使聚丙烯酸类弹性体的韧性提高两个数量级(Science,2014,344,186.)。此外，通过构筑增强纤维结构，利用纤维与基体的脱粘，使得裂纹发生偏转，可以使聚二甲基硅氧烷的韧性媲美天然橡胶(Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2019,116,5967.)。然而，如何将模量与韧性同时提高到媲美天然材料的性能，如皮肤、皮革等，仍然是一大挑战。

自然界中，存在着许多兼具优异韧性和模量的天然材料，如具有“砖块-水泥”结构的鲍鱼壳等。大量的碳酸钙矿物为鲍鱼壳提供了极高的模量和强度。而丰富的界面可以减缓裂纹的扩展，为鲍鱼壳提供了优异的韧性。目前，大量的工作已借鉴鲍鱼壳的结构，制备了一系列强韧一体化的纳米复合材料。然而，难以通过常规的表征方法如原位扫描电子显微镜来揭示仿鲍鱼壳的层状纳米复合材料的增韧机理。传统SEM的缺点包括：1、难以实现三维成像；2、样品表面形貌对表征的干扰；3、受限于样品的电导率；4、难以区分不同的组分。