[发明专利]一种具有多尺度长程有序通道结构的多孔材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有多尺度长程有序通道结构的多孔材料及其制备方法与应用，涉及多孔材料技术领域。本发明所述多孔材料的制备方法包括如下步骤：(1)将建筑单元溶解、分散在溶剂中，形成铸造溶液；(2)将铸造溶液冷却至15±3℃，向铸造溶液中通入气体至饱和状态；(3)对通入气体的铸造溶液进行定向冷冻；(4)当铸造溶液被完全冷冻后，对冻结的块体进行冷冻干燥，得到所述多孔材料；所述建筑单元为聚合物、无机材料中的至少一种。本发明通过采用上述方法，制备出了具有多尺度长程有序通道结构的多孔材料，所述方法工艺简单，可用于进行仿生构筑。

技术领域

本发明涉及多孔材料技术领域，尤其涉及一种具有多尺度长程有序通道结构的多孔材料及其制备方法与应用。

背景技术

与天然的生物材料相比，人工合成材料的发展主要是通过开发新的合成结构材料而不是优化现有材料的微/纳米结构来实现的。因此，微米到纳米级的多尺度结构的仿生设计有望开发出令人意外的超结构的材料。然而，将类似藤条的巧妙结构转化为人工合成材料是极为困难的，部分原因是它们的复杂的孔结构需要在多个维度(长度、尺度和形态)上进行复制。此外，宏观大块材料的仿生构筑并非易事，因为同时平衡完美的有序微结构和生产效率是极其困难的。对于有序多孔结构材料，用于生产与其对应的人工仿生结构材料的方法主要有三种：定向冷冻的冰模板技术、嵌段共聚物自组装技术和微尺度3D打印技术。尽管这些技术制备的合成材料与天然材料相比具有一定的结构相似性，但模板法和自组装技术侧重于单一尺度结构的构筑，难以用于多尺度孔通道和大尺寸有序通道(100μm)的构筑。最新的微尺度3D打印技术在生产宏观大块材料上是低效率的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有多尺度长程有序通道结构的多孔材料及其制备方法与应用，所述方法借助气泡和冰晶作为模板来构筑材料内部的多尺度长程有序通道结构。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种多孔材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将建筑单元溶解、分散在溶剂中，形成铸造溶液；

(2)将铸造溶液冷却至15±3℃，向铸造溶液中通入气体至饱和状态；

(3)对通入气体的铸造溶液进行定向冷冻；

(4)当铸造溶液被完全冷冻后，对冻结的块体进行冷冻干燥，得到所述多孔材料；

所述建筑单元为聚合物、无机材料中的至少一种。所述聚合物为聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯等，所述无机材料为金属粉末、陶瓷粉末等。

本发明首先向铸造溶液中通入气体，采用气泡作为模板造孔，然后进行定向冷冻，以冰晶作为模板形成长程有序的通道结构，通过对制备步骤进行选择，可以使制备的多孔材料具有多尺度的通道结构，气泡和冰晶均以细长的圆柱形状态冻结在冰内，孔道结构均匀、可控。所述制备方法工艺简单，可以高效生产宏观大块材料。

优选地，所述步骤(1)中，溶剂为水、二氧六环、二甲亚砜、冰醋酸中的至少一种；所述铸造溶液中建筑单元的含量为3～10wt.％。

进一步优选地，所述步骤(1)中，建筑单元为聚合物，溶剂为二氧六环，所述建筑单元在铸造溶液中的含量为5wt.％。本申请发明人通过实验证实，以上述条件制备的多孔材料，其内部结构最为有序。

优选地，所述步骤(2)中，气体为空气、氮气、氧气、二氧化碳中的至少一种。

优选地，所述步骤(3)中，定向冷冻速率为0.5～5℃/min。进一步优选地，定向冷冻速率为0.5℃/min。冷冻速率对多孔材料内部的通道结构具有至关重要的作用，通过控制定向冷冻速率在上述范围内可以使气泡以细长的圆柱形态被冻结在冰内，获得细长、均匀的通道结构。