一种强韧聚合物薄膜的制备方法与流程

本发明涉及材料制备技术领域，具体是一种强韧聚合物薄膜的制备方法。

背景技术：

二维材料是一类原子级厚度的新型晶体材料，独特的电子限域效应赋予这类材料独特的物理、化学性质及丰富的科学内涵，在众多的领域都有重要的应用前景，特别是电子器件、光电器件等方面。研究这类材料的性质并将其付诸大规模应用的前提是高质量二维材料的制备与精准、有效集成；自然界中的贝壳通过精准调控将片状碳酸钙于生物大分子层层组装形成砖泥结构存在于界面之间大量的弱相互作用赋予珍珠层超强的强度和韧性。而人工合成材料不能像天然材料(贝壳、骨骼等)一样通过大量的相互作用对结构基元进行精准的调控，以致各结构基元在受力时应力不能有效传递导致材料断裂。前人利用纳米填充质增强聚合物薄膜的工作在拉伸强度上都有明显的提升，但断裂伸长率却变化不大甚至有所降低，导致复合薄膜的韧性增强被限制，究其原因在于结构基元之间可作为牺牲性成键的相互作用力较少，也将其归结为应力传递效率较低。在国内外对柔性电子设备、强韧复合材料及其应用日渐重视的背景下，发展一些诸如复合材料增强、增韧的方法是必要而且迫切的，具有重要的科学意义和社会价值。

目前，现有利用纳米增强质聚合物薄膜技术的缺点是虽然会提高复合薄膜的拉伸强度，但对断裂伸长率的改善却不明显甚至导致断裂伸长率降低，实用性不佳。因此，本领域技术人员提供了一种强韧聚合物薄膜的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种强韧聚合物薄膜的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种强韧聚合物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)取10ml浓度为3.0wt％的pei水溶液，加入到5ml浓度为3.0wt％的cnc悬浮液中，室温下连续搅拌1h，随后用浓盐酸将混合溶液ph调到1.3以增强cnc与pei之间的离子相互作用，继续搅拌十分钟后，将混合溶液，通过13000rpm转速离心机高速离心20min，弃去上层清液，将沉淀用超纯水洗涤三次，去掉未发生相互作用的游离pei分子,最后再将沉淀重新分散在水中，低速离心5min去掉cnc聚集体收集上层清液得到单分散的cnc悬浮液,浓度为1.0wt％，命名为pcnc悬浮液备用；

2)将2g蒙脱土粉末加入到500ml超纯水中，连续溶解搅拌一周，随后通过离心机离心5min弃去沉淀，收集上层清液得到剥离充分的mmt纳米片备用，浓度为0.7wt％；

3)将步骤1制得的pcnc悬浮液与步骤2制的得mmt悬浮液混合，制备pcnc和mmt组装体；

4)将步骤三制得的pcnc和mmt组装体与一定量pva溶液混合，常温下搅拌均匀，晾干成膜制备得pcnc、mmt和pva复合薄膜。

作为本发明进一步的方案：所述步骤2)中，该离心机执行5min离心工作时的转速设定为8000rmp。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤3)中，制得的pcnc和mmt组装体中pcnc与mmt的质量比为1:2。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤3)中，该pcnc和mmt组装体与pva的质量比为1:9。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤4)中，常温下搅拌时间至少为24小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将各力学性能优异的结构基元进行自组装，利用组装体增强聚合物基体的力学性能，组装体中含有大量的弱相互作用，在受到应力拉伸时，充当牺牲性成键，提高了应力传递效率，有效增加了纤维的拉伸强度，同时利用多重弱相互作用增加断裂伸长率，从而得到性能平衡的强韧材料，解决了现在纳米填料增强聚合物基质力学性能的方法存在的提高断裂强度忽略断裂伸长率的缺点。

附图说明

图1为本发明所制备的pcnc和mmt组装体透射电镜形貌图。

图2为本发明所制备的pcnc、mmt和pva复合薄膜的扫描电镜形貌图。

图3本发明所制备的pcnc、mmt和pva复合薄膜的力学性能表征图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1：一种强韧聚合物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)取10ml浓度为3.0wt％的pei水溶液，加入到5ml浓度为3.0wt％的cnc悬浮液中，室温下连续搅拌1h，随后用浓盐酸将混合溶液ph调到1.3以增强cnc与pei之间的离子相互作用，继续搅拌十分钟后，将混合溶液，通过13000rpm转速离心机高速离心20min，弃去上层清液，将沉淀用超纯水洗涤三次，去掉未发生相互作用的游离pei分子,最后再将沉淀重新分散在水中，低速离心5min去掉cnc聚集体收集上层清液得到单分散的cnc悬浮液,浓度为1.0wt％，命名为pcnc悬浮液备用；

2)将2g蒙脱土粉末加入到500ml超纯水中，连续溶解搅拌一周，随后通过离心机离心5min弃去沉淀，收集上层清液得到剥离充分的mmt纳米片备用，浓度为0.7wt％；

3)将步骤1制得的pcnc悬浮液与步骤2制的得mmt悬浮液混合，制备pcnc和mmt组装体；

4)将步骤三制得的pcnc和mmt组装体与一定量pva溶液混合，常温下搅拌均匀，晾干成膜制备得pcnc、mmt和pva复合薄膜。

所述步骤2)中，该离心机执行5min离心工作时的转速设定为8000rmp。

所述步骤3)中，制得的pcnc和mmt组装体中pcnc与mmt的质量比为1:2。

所述步骤3)中，该pcnc和mmt组装体与pva的质量比为1:9。

所述步骤4)中，常温下搅拌时间至少为24小时。

实施例2：一种强韧聚合物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)取10ml浓度为3.0wt％的pei水溶液，加入到5ml浓度为3.0wt％的cnc悬浮液中，室温下连续搅拌1h，随后用浓盐酸将混合溶液ph调到1.3以增强cnc与pei之间的离子相互作用，继续搅拌十分钟后，将混合溶液，通过13000rpm转速离心机高速离心20min，弃去上层清液，将沉淀用超纯水洗涤三次，去掉未发生相互作用的游离pei分子,最后再将沉淀重新分散在水中，低速离心5min去掉cnc聚集体收集上层清液得到单分散的cnc悬浮液,浓度为1.0wt％，命名为pcnc悬浮液备用；

2)将2g蒙脱土粉末加入到500ml超纯水中，连续溶解搅拌一周，随后通过离心机离心5min弃去沉淀，收集上层清液得到剥离充分的mmt纳米片备用，浓度为0.7wt％；

3)将步骤1制得的pcnc悬浮液与步骤2制的得mmt悬浮液混合，制备pcnc和mmt组装体；

4)将步骤三制得的pcnc和mmt组装体与一定量pva溶液混合，常温下搅拌均匀，晾干成膜制备得pcnc、mmt和pva复合薄膜。

所述步骤2)中，该离心机执行5min离心工作时的转速设定为8000rmp。

所述步骤3)中，制得的pcnc和mmt组装体中pcnc与mmt的质量比为1:1。

所述步骤3)中，该pcnc和mmt组装体与pva的质量比为1:9。

所述步骤4)中，常温下搅拌时间至少为24小时。

本实施例复合薄膜的拉伸强度与纯pva薄膜相比，提高206％，断裂伸长率提高125％。

实施例3：一种强韧聚合物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)取10ml浓度为3.0wt％的pei水溶液，加入到5ml浓度为3.0wt％的cnc悬浮液中，室温下连续搅拌1h，随后用浓盐酸将混合溶液ph调到1.3以增强cnc与pei之间的离子相互作用，继续搅拌十分钟后，将混合溶液，通过13000rpm转速离心机高速离心20min，弃去上层清液，将沉淀用超纯水洗涤三次，去掉未发生相互作用的游离pei分子,最后再将沉淀重新分散在水中，低速离心5min去掉cnc聚集体收集上层清液得到单分散的cnc悬浮液,浓度为1.0wt％，命名为pcnc悬浮液备用；

2)将2g蒙脱土粉末加入到500ml超纯水中，连续溶解搅拌一周，随后通过离心机离心5min弃去沉淀，收集上层清液得到剥离充分的mmt纳米片备用，浓度为0.7wt％；

3)将步骤1制得的pcnc悬浮液与步骤2制的得mmt悬浮液混合，制备pcnc和mmt组装体；

4)将步骤三制得的pcnc和mmt组装体与一定量pva溶液混合，常温下搅拌均匀，晾干成膜制备得pcnc、mmt和pva复合薄膜。

所述步骤2)中，该离心机执行5min离心工作时的转速设定为8000rmp。

所述步骤3)中，制得的pcnc和mmt组装体中pcnc与mmt的质量比为1:4。

所述步骤3)中，该pcnc和mmt组装体与pva的质量比为1:9。

所述步骤4)中，常温下搅拌时间至少为24小时。

本实施例复合薄膜的拉伸强度与纯pva薄膜相比，提高103％，断裂伸长率提高110％。

实施例4：一种强韧聚合物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)取10ml浓度为3.0wt％的pei水溶液，加入到5ml浓度为3.0wt％的酸化碳纳米管(cnt)悬浮液中，室温下连续搅拌1h，随后用浓盐酸将混合溶液ph调到1.3以增强cnt与pei之间的离子相互作用，继续搅拌十分钟后，将混合溶液，通过13000rpm转速离心机高速离心20min，弃去上层清液，将沉淀用超纯水洗涤三次，去掉未发生相互作用的游离pei分子,最后再将沉淀重新分散在水中，低速离心5min去掉cnt聚集体收集上层清液得到单分散的cnt悬浮液,浓度为1.0wt％，命名为pcnt悬浮液备用；

2)将2g蒙脱土粉末加入到500ml超纯水中，连续溶解搅拌一周，随后通过离心机离心5min弃去沉淀，收集上层清液得到剥离充分的mmt纳米片备用，浓度为0.7wt％；

3)将步骤1制得的pcnt悬浮液与步骤2制的得mmt悬浮液混合，制备pcnt和mmt组装体；

4)将步骤三制得的pcnt和mmt组装体与一定量pva溶液混合，常温下搅拌均匀，晾干成膜制备得pcnt、mmt和pva复合薄膜。

所述步骤2)中，该离心机执行5min离心工作时的转速设定为8000rmp。

所述步骤3)中，制得的pcnt和mmt组装体中pcnt与mmt的质量比为1:5。

所述步骤3)中，该pcnt和mmt组装体与pva的质量比为3:7。

所述步骤4)中，常温下搅拌时间至少为24小时。

本实施例复合薄膜的拉伸强度与纯pva薄膜相比，提高37％，断裂伸长率提高114％本发明的工作原理是：

本发明提出了一种强韧聚合物薄膜的制备方法，本发明通过首先将聚乙烯亚胺(pei)修饰过后的纤维素纳米晶(cnc)与蒙脱土纳米片(mmt)静电自组装得到cnc和mmt超分子组装体，然后分散到聚乙烯醇(pva)水溶液中，搅拌均匀倒入培养皿中，利用溶剂蒸发法成膜，得到拉伸强度与断裂伸长率同步增加的复合薄膜，本发明通过将各力学性能优异的结构基元进行自组装，利用组装体增强聚合物基体的力学性能，组装体中含有大量的弱相互作用(氢键相互作用、静电力)，在受到应力拉伸时，充当牺牲性成键，提高了应力传递效率，有效增加了纤维的拉伸强度，同时利用多重弱相互作用增加断裂伸长率，从而得到性能平衡的强韧材料，解决了现在纳米填料增强聚合物基质力学性能的方法存在的提高断裂强度忽略断裂伸长率的缺点；本发明所制备的pcnc和mmt组装体透射电镜形貌如图1所示，从中可以看到pcnc纳米棒附着于mmt纳米片的表面及边缘上，取向各异，在mmt表面上形成一层稠密的pcnc层，组装体的尺寸取决于原始mmt与pcnc的尺寸，本发明所制备的pcnc、mmt和pva复合薄膜的扫描电镜形貌如图2所示，可以看出，薄膜表面光滑，截面呈层状结构，层状结构为组装体堆叠而成，组装体层与层之间为pva分子夹层，本发明所制备的pcnc、mmt和pva复合薄膜的力学性能表征如图3所示，可以看出，利用组装体增强的pva薄膜在力学性能上有明显提升，其中拉伸强度提高了132％，断裂伸长率提高了300％，证明了本方案的有效性。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。