[发明专利]通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料及制备方法，通过向聚氨酯侧链引入四重氢键单元UPy基团合成出一系列具有不同多级氢键单元数量的水性聚氨酯，加入二维导电纳米片，得水性聚氨酯大分子充分且均匀地吸附在纳米片上；通过真空抽滤法、溶剂挥发法或者涂布法制备出纳米复合材料膜。制备的纳米复合材料薄膜在微纳米尺度上具有类贝壳层状有序的“砖‑墙”结构，其层间引入了弱的一重氢键及强的二重和四重氢键。在不增加导电填料的前提下，其导电性和机械性能通过改变含有不同四重氢键单元的聚氨酯来进行增强，此材料柔韧性佳，导电性好，强度高，且制备方法多样，可广泛应用与电磁屏蔽及电加热领域等诸多领域。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料及制备方法，是一种在微纳米尺度上具有仿生贝壳层状有序结构的复合材料及其制备方法。

背景技术

在构筑机械性能和功能性俱佳高性能合成材料方面大自然提供了诸多的启迪。在这些天然材料中，珠母贝以其优异的机械性能和独特的层状“砖-泥”结构而受到了科研人员的极大关注。尤其是其层间丰富的相互作用给材料设计带来了重要的可借鉴价值。近年来，研究人员通过许多方法开发了大量的仿生贝壳材料。但大多数这些研究都只关注使用商用高分子来获得具有类贝壳结构的高强度复合材料，然而这些商用高分子材料缺乏可设计性，很难从高分子结构设计的角度来赋予材料功能性。另一方面，MXene(Ti₃C₂T_x，Ti₂CT_x或Ti₃CNT_x)及石墨烯等新型二维纳米材料，以其优异导电性能被广泛用于聚合物基功能性仿生贝壳材料中。聚合物的引入的确提升了材料的力学性能，但与这些二维纳米材料相比，复合材料的导电性能无一例外地遭到了削弱。因此从分子设计的角度来合成新型的高分子显得十分有必要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料及制备方法，解决现有仿生纳米复合材料机械性能与功能性不能协同提升的缺陷。

技术方案

一种通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料，其特征在于：微纳米尺度上具有类贝壳层状有序的“砖-墙”结构，其无机相为二维纳米片MXene或氧化石墨烯，其有机高分子相为侧基含有不同UPy(2-脲基-4【1H】嘧啶酮)基团量的水性聚氨酯，分子结构中含有能形成一重氢键的氨基甲酸酯基团、形成二重氢键的脲基以及能够形成四重氢键的UPy基团；

所述UPy含量为15％，XRD测试确定的纳米片层间距为所述层间具有弱的一重氢键及强的二重和四重氢键。

所述MXene为Ti₃C₂T_x、Ti₂CT_x或Ti₃CNT_x中的一种或二者的任意比例混合。

一种制备所述通过超分子作用实现导电性和机械性能增强的仿生纳米复合材料的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、具有多级超分子单元水性聚氨酯WPU-UPy-x的合成：

a、将大分子二元醇在90-110℃真空烘箱中干燥2-24h；再加入到带有机械搅拌装置的干燥反应器中，滴加二异氰酸酯；所述二异氰酸酯与大分子二元醇的摩尔比为1.2:1～3:1，然后升温至75～85℃反应2～4h；

b、分别将亲水扩链剂和UPy扩链剂溶解在除水后的强极性非质子溶剂中，然后将扩链剂溶液加入到步骤a的反应体系中，温度控制在75～85℃反应2～4h；