[发明专利]一种超强超韧自愈合纤维素-聚氨酯杂化材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种超强超韧自愈合纤维素‑聚氨酯杂化材料及制备方法，对水性聚氨酯中初始异氰酸酯与多元醇比例以及亲水基团扩链剂含量进行设计调控，能够与Tempo氧化纤维素有着最好相容性，保证Tempo氧化纤维素‑水性聚氨酯杂化膜有着最优的湿牵伸倍率以保证杂化材料的内部取向。本发明利用其优良的自愈合以及形状记忆性能可以实现从二维膜材料到板材，管材，棒材、圆球、锥形等各种复杂三维体材料的转化，整个操作过程绿色简单有效，不需要任何其他助剂，并且最终得到的体材料具有极好的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种超强超韧自愈合纤维素-聚氨酯杂化材料及制备方法，属于高性能生物基材料的改性技术领域。

背景技术

随着经济的发展，世界各国对可挥发性有机物(VOC)的排放逐渐加强了管理，聚氨酯由于其易于水性化而受到人们的重视，目前已被广泛应用于涂料、胶黏剂、皮革饰品等。聚氨酯可以通过外乳化法或者内乳化法以水作为分散介质代替有机溶剂而成为水性聚氨酯。

水性聚氨酯具有一系列显著的优点，主要可以分为以下三个方面：

(1)水性聚氨酯以水作为分散介质，在使用时可以做到完全无VOC排放，是一种对人体和环境友好无危害的绿色材料。

(2)水性聚氨酯由于软硬段不相容性而存在一定程度的微相分离，导致其具有优异的机械性能与低温柔顺性，同时耐磨损性能、耐化学品腐蚀性能也较为突出。

(3)异氰酸酯基团可以与含活泼氢的单体进行反应，如羟基、氨基、羧基、巯基等，因此水性聚氨酯结构可设计性极强，极易对其从分子结构层次进行改性。

但是，目前对于水性聚氨酯的力学强力的显著提升的改性方法却几乎没有，可见对于水性聚氨酯力学强力提升的意义重大。在已有的关于聚氨酯力学增强的报道中，主要有有机硅交联剂、环氧树脂交联改性、无机纳米粒子的引入改性等等，但都由于引入组份与水性聚氨酯组份之间相容性不够好，从而使得其之间产生的作用力并没有达到理想效果，因此对其力学强力没有显著的提升。

纤维素是地球上几乎无穷之不尽的聚合物资源，有望满足对可持续发展不断增长的需求。而纤维素纳米纤维(CNFs)由于其非凡的力学性能，是一种新兴的天然衍生纳米材料。例如，由于其高的结晶度(≈88％)，CNFs的强度达到≈1.6-7.7GPa，刚度为≈150GPa。对于CNFs的材料，近年来各个研究小组通过控制CNFs的纤维素纳米纤维的取向对齐程度和界面相容性以获得优良的机械性能。虽然这些人造纤维素材料已经取得了巨大的成就，但由于CNFs的刚性性质，其韧性仍难以提高。原因在于纤维素材料独特的刚性特质使得想要对纯纤维素材料进行定向牵伸以获得内部规整的取向较为困难，最终的使得其韧性并不高。

水性聚氨酯以及纳米纤维素作为传统溶剂型高分子材料的新一代绿色水性产物，其独有的绿色无溶剂性成为了其最具优势的特点，随着可持续发展战略的不断深化，未来这些水性环保的生物基材料一定会更加具有发展前景。因此，对于其力学强度以及韧性，耐磨性以及耐水性的提升意义重大，将大大扩展这类材料未来的应用范围。

发明内容

为了克服水性聚氨酯的以上性能缺陷，本发明提供了一种超强超韧自愈合纤维素-聚氨酯杂化材料及制备方法，在力学强度以及韧性上，有着极大的提升。此外，该材料还展现出了极好的自愈合性能以及形状记忆性能，因此也能够对材料进行各种高强韧形状材料以及三维体材料设计，使得材料能够得到更广泛的应用。整个工艺过程都处于绿色环保的体系之中，并且生产效率高，生产成本低。

本发明的发明构思是：

对水性聚氨酯中初始异氰酸酯与多元醇比例以及亲水基团扩链剂含量进行设计调控，能够与Tempo氧化纤维素有着最好相容性，保证Tempo氧化纤维素-水性聚氨酯杂化膜有着最优的湿牵伸倍率以保证杂化材料的内部取向。

本发明的技术方案是：