仿贝壳层状结构多元复合薄膜的制备及性能研究

发布时间：2018-04-29 04:00

本文选题：生物启发的 + 人工贝壳　；参考：《中国科学技术大学》2015年博士论文

【摘要】：本论文综述了仿贝壳层状多级结构材料组装的研究进展,总结了常见的组装方法、组装原理及仿贝壳层状多级结构材料的发展趋势。在前人研究工作的基础上,本论文结合有机基质对无机组装单元的亲和识别作用及无机组装单元间的协同增韧作用,分别以氧化石墨烯纳米片、粘土片、文石片、硅酸钙纳米纤维为无机组装单元,将其与糯米汤、淀粉及聚乙烯醇等有机基质共组装制备了一元、二元、三元柔性仿贝壳层状多级结构的复合薄膜,并对这种仿贝壳层状结构复合薄膜的组装机理和力学性能进行了系统的研究和探讨。取得的具体研究结果如下:1、发展了通过真空抽滤方法大面积组装制备一元柔性仿贝壳层状结构的氧化石墨烯(GO)膜的技术,通过多巴胺(DA)还原和修饰在石墨烯(rGO)膜表面原位生长了高分散性的银纳米颗粒。利用DA的自聚合反应,GO膜被还原成rGO膜同时其表面被聚多巴胺分子修饰,聚多巴胺分子可以作为还原剂和结合位点在rGO膜表面原位生长单层银纳米颗粒。这种球形银纳米颗粒的粒径分布范围较窄,平均粒径约为80nm,且其在rGO膜表面的覆盖密度可控制。这种柔性的rGO/Ag复合膜具有增强的抗大肠杆菌的活性及对罗丹明分子高灵敏性的表面增强拉曼光谱响应。2、制备了粘土片(MTM) /糯米汤(SRS)仿贝壳结构的层状复合薄膜。在该复合薄膜中,MTM纳米片与SRS中的有机基质紧密相连,且取向高度有序、层层堆积。通过溶剂蒸发的方法组装的仿贝壳结构的层状薄膜的拉伸强度为126.6 ±5.1 MPa,杨氏模量为 9.0 ±0.3 GPa,韧性为 1.81 ±0.1 MJm~(-3)。而通过真空抽滤获得的复合膜的拉伸强度为103.9 ± 3.5 MPa,杨氏模量为5.9 ± 0.15 GPa,韧性为1.17 ± 0.08 MJ m~(-3)。溶剂蒸发的方法制备的复合薄膜的力学性能稍微优于真空抽滤的方法制备的复合薄膜。这可能是溶剂蒸发方法制备的薄膜的层状结构更致密,且有机基质含量稍高一些所致。我们通过溶剂蒸发方法组装的仿贝壳结构的层状复合薄膜的力学性质与天然贝壳(拉伸强度80~(-1)35 MPa,韧性为1.81 MJ m~(-3))相当,但该复合膜具有更好的柔韧性。3、发展了真空抽滤法制备柔性粘土片/聚乙烯醇/硅酸钙纳米纤维(MTM/PVA/NFX)仿贝壳层状多级结构复合薄膜的技术。这种层状的人工复合薄膜是通过1D的NFX网状层和2D的MTM纳米片层交替堆积而成,其层间距可调且聚合物填充含量低。该MTM/PVA/NFX复合薄膜具有强度高(241.8 ± 10.2 MPa)及韧性好(5.85 ± 0.46 MJ m~(-3))的特点。其数值比NFX网状薄膜(8.0 ± 2.3 MPa,0.69 ± 0.12 MJ m~(-3))和 MTM/PVA 复合薄膜(70.7 ± 8.3 MPa, 5.23 ± 0.54 MJ m~(-3))高出数倍,并且优于天然贝壳(80~(-1)35 MPa)和其他传统的MTM/聚合物复合薄膜。这种基于组分间协同增强的组装方案为设计和构建新型仿贝壳层状多级结构的复合薄膜提供了一种简单的方法。该柔性复合膜可望应用于功能涂层、组织工程等领域。4、发展了真空抽滤自组装技术构建粘土片/淀粉/文石片(MTM/Starch/Aragonite)仿贝壳层状结构复合薄膜。研究了这种三元层状有序结构复合薄膜组分间的协同力学增强性质。该层状人工复合薄膜通过文石片与粘土片交替堆积的,并与淀粉分子强烈的键合作用被紧密的连接在一起。这种典型的MTM/Starch/Aragonite仿贝壳层状结构复合薄膜的最大拉伸应力为228.1 ±14.8 MPa,对应的韧性为3.2 ±0.2 MJ m~(-3)。相比较于文石片/淀粉层状结构薄膜(80.7±8.1 MPa, 0.89 ±0.05 MJm~(-3))、粘土片/淀粉层状结构薄膜(148.4 ± 10.7 MPa, 1.6 ±0.1 MJ m~(-3))及天然贝壳(80~(-1)35 MPa, 1.8 MJ m~(-3)),这种层状三元结构的复合薄膜体现出了明显的协同增强力学效果。这种基于不同组装单元间协同增强的组装方案为设计和构建新型仿贝壳层状多级结构的复合薄膜提供了一种简单的方法。
[Abstract]:This paper reviews the research progress on the assembly of shell - like layered multi - stage structure materials , summarizes the common assembly methods , the principle of assembly and the development trend of shell - like layered multi - stage structure materials . The results are as follows : 1 . The composite films prepared by vacuum suction filtration method are characterized by the following : 1 . The composite films prepared by vacuum suction filtration have a tensile strength of 106.9 卤 3.5 MPa , Young ' s modulus of 5.9 卤 0.15 GPa and toughness of 1.17 卤 0.08 MJ m ~ ( -3 ) . The mechanical properties of composite films prepared by solvent evaporation are slightly better than those of vacuum filtration . This paper presents a simple method for the design and construction of a novel composite film with shell - like layered structure .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

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