[发明专利]一种高强度轻质纤维素基仿生防护材料制备方法

说明书

一种高强度轻质纤维素基仿生防护材料制备方法，涉及一种仿生防护材料制备方法，所述方法采用溶剂[Bmim]Cl离子液体构建均相纤维素分子体系；通过相转换获得纤维素水凝胶基材，然后通过原位聚合手段引入PAAm高分子链；并通过乙醇溶剂实现分子构型重组从而构建了高机械强度的纤维素基功能性防护材料（Cel‑PAAm）；利用分子动力学模拟(MD)与密度泛函理论（DFT）分析手段确定了PAAm分子的卷曲构型是赋予Cel‑PAAm材料力学性能强悍的关键因素；该方法为一种绿色的，可调控的纤维素基强化材料的制备方法，与其他常规制备方法相比，Cel‑PAAm功能性防护材料具有更佳的机械性能及生物相容性，具有较大的生产应用前景。

技术领域

本发明涉及一种仿生防护材料制备方法，特别是涉及一种高强度轻质纤维素基仿生防护材料制备方法。

背景技术

分子水平上的自组装和构型设计使材料具有超越自身的、新颖的、独特的特性，并使得制备的材料本身具有独特的氢键网络与微观结构可设计性，从而展现出强的机械性能、性能可转换等诸多性能。但现在对于纤维素材料的设计依然停留在纳米级尺寸的混合与杂化，很少涉及分子尺寸的结构设计与空间构型策略去构建纤维素基功能材料。

大多强化材料的开发主要包括磁流变液，添加过冷盐，混合热诱导因子及界面工程构建等方法，虽然合成的材料力学性能有所提高，但现有的方法制备的材料依然存在着强度提升不足，缺乏长期的稳定性致使材料过早损坏，降解性差等缺陷。所以，设计并制造一种完美的具有高机械强度、可降解性及环境稳定性的功能性材料依然是一个极具挑战的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度轻质纤维素基仿生防护材料制备方法，本发明首次提出了利用分子间构型差异进行分子构型重组实现材料性能的自增强的方法，该方法为一种绿色的，可调控的纤维素基强化材料的制备方法，与其他常规制备方法相比，Cel-PAAm功能性防护材料具有更佳的机械性能及生物相容性，具有较大的生产应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高强度轻质纤维素基仿生防护材料的制备方法，所述方法采用溶剂[Bmim]Cl离子液体构建均相纤维素分子体系；通过相转换获得纤维素水凝胶基材，然后通过原位聚合手段引入PAAm高分子链；并通过乙醇溶剂实现分子构型重组从而构建了高机械强度的纤维素基功能性防护材料（Cel-PAAm）；利用分子动力学模拟(MD)与密度泛函理论（DFT）分析手段确定了PAAm分子的卷曲构型是赋予Cel-PAAm材料力学性能强悍的关键因素；

包括以下制备步骤：

步骤一、将纤维素（3wt.%）加入到装有[Bmim]Cl离子液体的三口烧瓶中，85℃下机械搅拌直至纤维素完全溶解，体系变为透明粘稠液体，时间为2h；

采用旋涂的方法将透明粘稠液体均匀置于抛光的硅片载体，并置入温度85℃的烘箱中处理12h，得到均匀透明[Bmim]Cl/纤维素体系；

接着室温下放入蒸馏水域中，待水分子完全置换掉[Bmim]Cl离子液体后（60min），均匀透明水凝胶形成；

步骤二、制备高分子水溶液

称取20 g丙烯酰胺，将其加入到150 g去离子水中，在室温下用磁力搅拌器搅拌30min，随后加入0.1 g过硫酸铵与0.02 g N - N’ 亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌20 min，即得到高分子溶液；

步骤三、制备高强度防护材料

将制备好的水凝胶材料放入高分子溶液中浸泡24小时，之后置入真空干燥箱中，室温下抽真空4小时，完全去除溶液中的气泡，然后移入电热鼓风干燥箱中，在50℃下对其进行原位聚合，聚合结束后，取出样品并剥除多余的聚丙烯酰胺凝胶层，即得到双网络水凝胶；将双网络水凝胶浸入到装有乙醇溶液的容器中约2小时，即得到具有高强度性能的防护材料。