一种类牙釉质复合纤维的制备方法技术

技术编号：40355623 阅读：7 留言：0更新日期：2024-02-09 14:41

本发明专利技术涉及一种微观结构与牙釉质相近的仿生复合材料制备技术领域，具体涉及一种类牙釉质复合纤维及其制备方法。本发明专利技术采取水热技术得到由一维纳米线组装而成的微米簇，然后借助湿法纺丝技术，制备得到了具有多级次结构的类牙釉质仿生复合纤维。具体方法是(1)采用水热技术实现了由纳米线组装的微米簇的制备；(2)将聚合物溶于水中得到澄清的溶液；(3)将微米簇分散至有机溶液中，形成均匀的悬浮液作为纺丝浆料；(4)采用湿法纺丝技术，将微米簇组装成宏观的的类牙釉质复合纤维。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微观结构与牙釉质相近的复合纤维制备，具体涉及一种类牙釉质复合纤维及其制备方法。

技术介绍

1、随着智能织物、公共基础设施、军事装备及生物工程等领域的快速发展，对纤维材料的强度和韧性提出了更高的要求，但材料的强度和韧性是一对相悖的力学属性，使得传统的纤维制造工艺无法构筑既强又韧的纤维材料。生命体经过数亿万年的进化，已经能够制备出综合力学性能优异的生物材料，这是现有的工程材料都无法达到的。天然牙釉质，作为哺乳动物体内最硬的生物组织，由于具有多尺度、多级次微纳结构及非晶间质相，能够在受力过程中产生多重力学耗散机制，从而表现出优异的抗冲击性能。因此，以天然牙釉质作为构筑模型，在复合纤维材料中构建类牙釉质多级结构和非晶组分，有望得到一种高强、高韧类牙釉质复合纤维材料。

2、到目前为止，已经开发出一些基于无机结构单元的类牙釉质复合材料，如氧化石墨烯(go)、碳纳米管(cnt)、金纳米线(au)以及羟基磷灰石(hap)基类牙釉质复合材料。但由于仅仅在结构上实现了一个或两个级次上的模拟等问题，导致复合材料无法同时实现高强度和高韧性。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于针对现有制备和组装方法的不足，利用简便绿色的由一维纳米线组装的微米簇、有机聚合物等为原料，制备出一种类牙釉质复合纤维，并提供了一种操作简单、无污染且可宏观制备的类牙釉质复合纤维的制备方法。本专利技术采用水热技术得到了由一维纳米线组装的微米簇，然后借助湿法纺丝技术，制备得到了类牙釉质复合材料。

<p>2、本专利技术的一种类牙釉质复合纤维，其中所述多级次类牙釉质结构材料中含有多级次微纳结构的陶瓷微米簇增强相和有机聚合物增韧相；所述多级次微纳结构陶瓷微米簇是长径比(5～20μm/0.5～1.1μm)为20-40的羟基磷灰石微米簇；所述有机聚合物是聚乙烯醇、海藻酸钠。

3、所述类牙釉质复合纤维的拉伸强度为178.8～196.3mpa，模量可达15.2～18.6gpa，断裂韧性为31.6～46.3mj m-3。

4、本专利技术还提供了一种类牙釉质复合纤维的制备方法，包括下列步骤：

5、第一步，将九水硅酸钠加入到水溶液中，在20～30℃下搅拌至完全溶解，依次加入氢氧化钠以及四水硝酸钙，在20～30℃下搅拌至形成均匀的白色悬浊液并转移至高温反应釜中，在特定的温度下进行保温；所述水溶液体积为50-100ml；所述九水硅酸钠在反应体系中的浓度为7.43-16.71mg/ml；所述氢氧化钠在反应体系中的浓度为3.22-9.66mg/ml；所述四水硝酸钙在反应体系中的浓度范围为25.17-32.00mg/ml；所述温度范围为180-240℃；所述保温时间范围为5-26h；

6、第二步，将第一步得到的反应产物进行离心洗涤，然后对其冷冻放入冷冻干燥机中在-50℃～-90℃的低温下真空干燥24-48h，除去试样中的水分，最终得到干燥粉末样品；其中所述离心转速范围为5000-10000r/min，洗涤溶剂为水，洗涤1-3次；

7、第三步，取第二步中的干燥粉末置于磷酸盐水溶液中进行水热转化，最终得到羟基磷灰石微米簇；其中所述磷酸盐为磷酸钠/磷酸二氢钠；所述温度范围为150-180℃；所述保温时间范围为1.5-5.0h；

8、第四步，将第三步得到的反应产物进行离心洗涤，然后对其冷冻放入冷冻干燥机中在-50℃～-90℃的低温下真空干燥24-48h，除去试样中的水分，最终得到干燥粉末样品；其中所述离心转速范围为5000-10000r/min，洗涤溶剂为水，洗涤1-3次；

9、第五步，在60～90℃下将有机物(聚乙烯醇和海藻酸钠)溶于水中，搅拌得到无色澄清溶液；其中所述有机聚合物是水溶性的；所述聚乙烯醇与海藻酸钠的质量比为3：1至8：1；

10、第六步，取第五步中得到的无色澄清溶液，加入第四步得到的微米簇，在20～30℃下搅拌至形成均匀的白色悬浊液；所述微米簇在无色澄清聚合物溶液中的浓度范围为0.01g/ml至0.03g/ml；

11、第七步，用量程范围为1-5ml的注射器吸取第六步得到的反应产物，然后进行湿法纺丝，将反应物注射到含有乙醇凝固浴里，静置一段时间，将纺出的凝胶纤维牵伸出凝固浴进行收集干燥，最后得到宏观复合纤维材料；其中，反应物注射速度为0.1-1ml/min，转盘转速的范围为10-45r/min，静置时间为30-60s，干燥温度范围为60-80℃；

12、相对于现有的类牙釉质复合纤维的制备方法，本专利技术具有如下优点：

13、1、本专利技术制备过程中采用的原料简单易得、成本较低、能够大量制备，且对环境无污染、操作简单。

14、2、本专利技术制备得到的类牙釉质复合纤维表现出优异的力学性能：拉伸强度178.8～196.3mpa，模量15.2～18.6gpa，断裂韧性为31.6～46.3mj m-3。满足了复合纤维在工程上高强高韧的需求。

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【技术保护点】

1.一种类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述终产物是一种无机/有机复合材料，有机物的选择需要是水溶性有机物，优选聚乙烯醇作为有机物，海藻酸钠作为交联剂，有机聚合物与水的质量比优选1：20。

3.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述纺丝前驱体溶液中聚乙烯醇的浓度为30-60mg/mL，其中优选浓度为40mg/mL，海藻酸钠的浓度为3.4-13.4mg/mL，其中优选浓度为6.7mg/mL。

4.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述羟基磷灰石微米簇由定向排列的一维纳米线组成，其长度约为5～20μm，直径约为0.5-1.1μm。

5.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述前驱体溶液中，羟基磷灰石微米簇的的浓度范围为0.01g/mL至0.025g/mL，其中优选浓度为0.017g/mL。

6.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：进行湿法纺丝

7.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：进行湿法纺丝时，所述转盘转速的范围为10-45r/min，优选30r/min。

8.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：进行湿法纺丝时，所述凝固浴为无水乙醇。

9.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：将纺出的凝胶纤维牵伸出凝固浴进行收集干燥。

10.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述的类牙釉质复合纤维中羟基磷灰石微米簇沿着纤维c轴有序排列，直径范围为20-30μm。

11.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述的类牙釉质复合纤维具有与牙釉质类似的多级次结构。

12.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述类牙釉质复合纤维的拉伸强度为178.8～196.3MPa，模量可达15.2～18.6GPa，断裂韧性为31.6～46.3MJ m-3。

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【技术特征摘要】

1.一种类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

3.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述纺丝前驱体溶液中聚乙烯醇的浓度为30-60mg/ml，其中优选浓度为40mg/ml，海藻酸钠的浓度为3.4-13.4mg/ml，其中优选浓度为6.7mg/ml。

5.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：所述前驱体溶液中，羟基磷灰石微米簇的的浓度范围为0.01g/ml至0.025g/ml，其中优选浓度为0.017g/ml。

6.根据权利要求1所述的类牙釉质复合纤维的制备方法，其特征在于：进行湿法纺丝时，所述注射器的量程范围为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭林，赵赫威，丁宝森，刘少佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：

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