[发明专利]一种仿珍珠母结构高机械强度薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生材料领域，特别涉及一种仿珍珠母结构薄膜及其制备方法。

背景技术

相比于传统材料，仿珍珠母结构材料—即仿生材料—可以在机械强度上提高2～3倍。不过美中不足的是，仿珍珠母结构材料存在单一种类纳米单元增强有机物机械性能有限的问题。因此在其发展过程中，最关键的环节就是：如何在使用多种纳米材料增强有机物的机械性能的同时组装好各纳米材料并让它们协调一致。为了满足这一迫切的需求，人们开发出了由两种维度纳米单元组成的多元有机杂化材料：高柔韧性一维纳米线和高强度的二维纳米片。人们尝试利用石墨烯、粘土片、LDH片来做二维纳米单元，利用纤维素纤维来作为一维纳米单元来增强机械性能。在这些材料中，人们最为关注一些石墨烯基复合物，比如石墨烯/纤维素薄膜。由于具有良好的机械强度、特殊表面积大、低成本、丰富的自然界储量以及对环境友好等特点，氧化石墨烯被认为是一种良好的机械增强纳米材料。

最近，由于能很好连接纤维素纳米纤维和石墨烯的蛋白质材料的获得，从而得到了具有很好机械强度的仿珍珠母结构薄膜。这展现了利用一维和二维两种维度纳米材料协同增强有机物，获得高强度仿珍珠母结构薄膜的前景。然而，从之前的一些报告中可以发现，对于这种薄膜材料来说，其制备的过程复杂、费时而且成本高昂，而这些都阻碍了其大规模的应用。因此，有必要发展一种相对简单且廉价的制作方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供了一种廉价易得的仿珍珠母结构薄膜及其制备方法。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明首先提出了一种仿珍珠母结构高机械强度薄膜，其包括：氧化石墨烯(GO)、几丁质纤维(CHWs)及壳聚糖(CS)，所述几丁质纤维是由干虾皮制取，氧化石墨烯是由石墨粉制取。所述薄膜是以氧化石墨烯为骨架，以几丁质纤维为骨架连接材料，以壳聚糖为骨架填充材料。

本发明进一步提出了上述仿珍珠母结构高机械强度薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤a、制备前驱物溶液：将氧化石墨烯溶液、几丁质纤维溶液与壳聚糖溶液相混合，剧烈搅拌，获得前驱物溶液；氧化石墨烯表面带有负电荷，几丁质纤维和壳聚糖表面带有正电荷，静电相互作用使几丁质纤维和壳聚糖同时吸附在氧化石墨烯表面，形成复合纳米片；

步骤b、组装前驱物溶液：将前驱物溶液置于塑料培养皿中，经过恒温干燥在培养皿底部形成一层薄膜，即为仿珍珠母结构高机械强度薄膜。

优选地，步骤a中氧化石墨烯溶液的浓度为1～10mg/mL(更优选为5mg/mL)，几丁质纤维溶液的浓度为1～10mg/mL(更优选为5mg/mL)，壳聚糖溶液的浓度为1～10mg/mL(更优选为5mg/mL)，氧化石墨烯、几丁质纤维和壳聚糖的质量比为4:4:100。

优选地，步骤a中氧化石墨烯溶液、几丁质纤维溶液与壳聚糖溶液相混合是先将几丁质纤维溶液加入壳聚糖溶液中，然后再加入氧化石墨烯溶液。

优选地，步骤a中所述剧烈搅拌的时间为12h、温度为25℃。

优选地，步骤b中所述塑料培养皿中的前驱物溶液的液面高度为0.5cm。

优选地，步骤b中所述恒温干燥的温度为25℃、时间为7天。

本发明的有益效果体现在：本发明提供的仿珍珠母结构薄膜，以廉价且易得的石墨粉、干虾皮为原材料，制得的仿珍珠母结构薄膜拉伸强度大、柔韧性高、材料硬度好、性能稳定。本发明提供的仿珍珠母结构薄膜通过简单有效且环境友好的反应得到机械性能优越的纳米组装单元，并组装出仿珍珠母结构薄膜，其所用的设备简单，易于推广，可以通过调节反应液浓度，以得到机械性能有所区别的薄膜材料。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的用于作为仿珍珠母结构薄膜的组装单元的氧化石墨烯(图1(a))和几丁质纤维(图1(b))的透射电镜图；

图2为本发明实施例1制备的仿珍珠母结构薄膜的尺寸展示图；

图3为本发明实施例1制备的仿珍珠母结构薄膜的柔韧性展示图；

图4为本发明实施例1制备的仿珍珠母结构薄膜的截面扫描电镜图；

图5为本发明实施例2制备的不同几丁质纤维含量的仿珍珠母结构薄膜的拉伸性能测试应力—应变图；

图6为本发明实施例2制备的不同氧化石墨烯含量的仿珍珠母结构薄膜的拉伸性能测试应力—应变图；

图7为本发明实施例1制备的仿珍珠母结构薄膜的拉伸性能测试应力—应变图；

图8为本发明实施例1制备的仿珍珠母结构薄膜和壳聚糖薄膜的纳米压痕测试负载—应变图；