[发明专利]一种仿生贝壳珍珠质材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生贝壳珍珠质材料的制备方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

生物体中存在着许多具有某些特定功能的硬组织，例如贝壳，珊瑚，骨和牙齿等。在这些硬组织中包含大量的无机物，如碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅等，我们把它们称之为生物矿物。

自然界中，许多生物矿物通过自身的矿化调控作用形成了具有有机无机结构的复合材料。而生物材料中有序的结构和精密的组装方式赋予了生物矿物独特的功能性，比如近乎完美的力学，光学和磁学等性质。因此，生物材料具有比自身单纯组成化合物以及普通具有相似化学组成的人工材料明显优异的特性。其中，贝壳珍珠质由于其出色的力学性质引起了材料和化学等领域研究者的广泛关注，人们发现贝壳能够通过自身矿化调控形成高度有序的有机无机复合结构，其中无机相是碳酸钙，有机相则包括了几丁质，蛋白质以及一些生物大分子。正是这种有机无机复合结构赋予了贝壳出色的断裂韧性，强度，刚性和硬度，因此仿生贝壳复合材料的制备成为了不同领域工作者的研究重点。目前来源于贝壳结构各种复合材料在实验室中合成，其中有一些在建筑，包装，涂料，以及功能材料领域有很大的指导意义和应用潜力。但是，用简单环保的手段制备出优异性能尤其是以碳酸钙为主体的复合材料的制备仍然存在一些难题，其中的机制也没有被完全阐述清楚，因此仿生贝壳制备高性能材料的研究具有巨大的科学意义和应用价值。

生物矿化是指在有机基质参与和调控下，生物矿物在生物体内的形成过程，参与的有机基质可以是细胞内的也可以是细胞外的，这与成矿的位点有关，与一般矿化最大不同在于它是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质(细胞、有机基质)的参与、控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的过程。另一个显著区别是通过有机分子和无机离子在界面处的相互作用，从分子水平上控制无机物的成核和生长，从而使生物矿化具有从纳米到微米的多种结构和组装方式。

生物矿物通过有机质的作用严格调控无机相的形貌，晶型，尺寸和取向，形成了高度有序的有机无机复合材料，因此具有不可思议的性质。自然界中，许多生物矿物具有规则的结构以及不可思议的力学性质。其中贝壳珍珠质由于其独特的光学和力学性质被人们广泛研究，它出色的强度，韧性以及硬度则很大程度上归功于珍珠质中碳酸钙和有机物交替形成的高度有序结构。因此仿生贝壳材料工作成为了一大热点并且在许多领域有很大的指导意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术制备的仿生贝壳珍珠质材料力学性能存在缺陷的问题，提供了一种仿生贝壳珍珠质材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

（1）取三角帆蚌并打磨切割，得20mm长10mm宽贝壳碎片，按质量比1：10，将贝壳碎片与次氯酸钠溶液搅拌混合，浸泡后过滤得滤饼，洗涤、干燥，得处理贝壳基体材料；

（2）按质量比1：8，将脱胶蚕丝与乙醇溶液搅拌混合，水浴加热并静置冷却至室温，过滤得滤液，按质量比1：5，将氯化钙溶液与滤液搅拌混合，得混合液；

（3）将混合液旋转蒸发至干，粉碎得丝素凝胶颗粒，按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、10～15份丝素凝胶颗粒、10～15份质量分数5％碳酸钠溶液搅拌混合，超声分散10～15min，得分散液；

（4）按质量比1：8，将处理贝壳基体材料浸泡至分散液中，浸泡并矿化处理，静置冷却并过滤得滤渣，洗涤、干燥，即可制备得一种仿生贝壳珍珠质材料。

步骤（1）所述的次氯酸钠溶液质量分数为5％。

步骤（3）所述的旋转蒸发温度为45～50℃。

步骤（4）所述的矿化处理温度为45～50℃。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明通过制备丝素蛋白液并旋转蒸发至干，通过丝素的折叠结构引起分子链的部分取向，通过折叠结构的形核依赖性聚集，使仿生贝壳材料形成的前驱体倾向于吸附在丝素大分子的取向结晶区域，从而形成稳定存在的仿生贝壳珍珠质材料，使仿生贝壳珍珠质材料具有优异的力学性能；

（2）本发明通过贝壳材料为基体进行沉积，通过有机质中的官能基团可以优先吸附在贝壳基体表面，诱导取向形成可控结晶，使制备的贝壳珍珠质材料具有优异的强度和断裂韧性，再在丝素蛋白与无机颗粒复合作用下，通过有机无机界面组合性能，大幅度增强了复合材料在平行于平面方向上的强度，高度有序排列的无机相能够立即吸收负载力，提升材料的硬度和刚性。

具体实施方式