[发明专利]一种非共价键交联高强高韧可塑可回收复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种非共价键交联高强高韧可塑可回收复合材料及其制备方法与应用，通过一锅法将聚氨酯、多酚类化合物、金属离子化合物以及改性二维材料共混后再通过密炼机混炼压入模具成型并烘干制得。复合材料通过多重非共价键协同作用提供高强高韧性能。该复合材料所含原料及各原料的重量份数为(以复合材料总重100重量份计)：聚氨酯为5.5‑45重量份，多酚类化合物25‑43重量份，金属离子化合物5‑8.5重量份，改性二维材料25‑43重量份。本发明复合材料具有优良的力学性能且可塑可回收，可用于航空航天、电子、军事、民用工程及机械领域。

技术领域

本发明属于仿生设计技术领域，具体涉及一种非共价键交联高强高韧可塑可回收复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

自然界中存在的珍珠母，得益于其内部著名的“砖-泥“式结构，具备优异的力学性能，其所拥有的断裂功，大约是作为它基本成分的碳酸钙晶体的3000倍。这一卓越的力学性能，使得“砖-泥“式结构成为研究人员在现代高性能人工合成材料微结构设计方向的仿生目标，并在过去十几年开发出了许多技术来制造多功能仿珍珠层材料，包括冷冻铸造、逐层组装、真空过滤、增材制造、蒸发等。然而这些技术存在部分缺陷，包括耗时长，设备复杂等问题。同时，这些仿生结构材料限于其单一形貌(片状或块状)以及部分功能缺失(如自修复性能)，难以进一步满足人类对高性能材料的需求。

仿珍珠层材料在断裂过程中，经过弹性形变后发生裂纹萌生，接着沿着界面产生稳定的裂纹扩展，随后发生裂纹偏转而进入非稳定裂纹扩展阶段，最终发生断裂。因此，可通过弱化材料界面结合强度达到能量耗散目的，弱界面结合的复合材料中微空穴和微裂纹更容易被主裂纹捕获，裂纹会沿着界面扩展并发生裂纹偏转。选择弱界面结合可以有效提高材料的断裂韧性。

氢键，π-π共轭，疏溶剂效应、离子偶极作用等非共价键，已经深入到生物、化学、材料、环境等学科领域。作为弱键，这些作用力在大变形下容易断裂并耗散能量，可作为弱界面结合力引入到材料中，但单一弱键对力学性能的提高非常有限。因此，为了提高复合材料的力学性能，提高层间载荷的转移效率，考虑在片层界面间设计多种作用力和多种协同作用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种非共价键交联高强高韧可塑可回收复合材料及其制备方法与应用。本发明通过一锅法将聚氨酯、多酚类化合物、金属离子化合物以及改性二维材料共混，制得高强高韧可塑可回收复合材料。复合材料通过多重非共价键协同作用提供高强高韧性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的第一个目的是，提供一种非共价键交联高强高韧可塑可回收复合材料，包括聚氨酯、多酚类化合物、金属离子化合物和改性二维材料，所述改性二维材料为经鞣花酸表面改性的二维材料。

本发明首先通过混合鞣花酸与二维材料使两者通过π-π共轭相互堆叠，再经过密炼机挤出的材料其内部二维片层相互挤压，形成一种交叉互锁的榫卯结构，使得本发明获得的复合材料通过多重非共价键协同作用提供高强高韧性能。

可选的，在本发明的一种实施方式中，所述复合材料包括以下组分的原料：

以复合材料总重量份计，

可选的，在本发明的一种实施方式中，所述复合材料通过非共价键交联作用提供断裂强度和能量耗散。复合材料拉伸强度大于400MPa，韧性大于20MJ/m³。

所述非共价键交联作用包括多酚类化合物与改性二维材料静电力作用、多酚类化合物与金属离子络合作用以及多酚类化合物与聚氨酯氢键作用。

可选的，在本发明的一种实施方式中，所述多酚类化合物包括单宁酸、植酸、没食子酸中的一种或两种以上组合。

可选的，在本发明的一种实施方式中，所述多酚类化合物优选为植酸。