CN106750570A - 一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜及其制备方法，属于仿生技术领域。所述制备方法为将蒙脱土胶体与海藻酸钠水溶液混合，并向混合溶液中加入氯化钴，形成蛋盒结构；然后进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜，在热压机下热压即可得到大尺寸高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。本发明以海藻酸钠和蒙脱土为原料，经过混合、真空抽滤和热压等工序制备出具有“砖‑泥”结构的类贝壳薄膜，所述薄膜具有优异的力学性能，拉伸强度高达为333MPa，平均形变为4.5％，并且所述薄膜为微红色，具有很高的透明性，可见光透过率高达68％以上。

Description

一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于仿生技术领域，具体来说是指一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜及其制备方法，在航空航天、军事、民用工程及机械等领域具有广阔应用前景。
背景技术
自然界中，许多生物矿物具有规则的结构以及不可思议的力学性质。其中贝壳珍珠质由于其独特的光学和力学性质被人们广泛研究，其独特的多级次“砖-泥”组装结构赋予它具有质量轻、强度高、韧性好的优异力学性能。然而几乎所有的研究者都仅仅在模仿贝壳的“砖-泥”结构，且大多采用二元物质进行复合制备。机械性能不是强度不高，就是强度上去了，样品就变得很脆，拉伸形变很低，韧性急剧下降。简单的二元复合已不能进一步提高样品的力学性能，而目前通过离子交联进一步提高样品的机械性能成为比较流行的做法。专利201410171248.4运用钙离子增强MMT-ALG复合薄膜，得到拉伸强度为243Mpa超强透明仿贝壳复合膜，本发明在此基础上进一步进行优化，通过调整混合溶液中MMT和ALG的比例，用钴离子代替钙离子与ALG发生耦合作用，并且对所得薄膜进行热压处理，得到拉伸强度为333Mpa的高强度仿贝壳复合薄膜。同时，现有的技术方案中选用的有机物大多为化学有机合成的物质，多具有有毒有害物质，非绿色天然生物高分子，在环保上有所欠缺。
发明内容
本发明的目的通过离子交联进一步提高薄膜的力学性能，制备出高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。
为了无毒、无污染的快速有效的模仿贝壳的多级结构，本发明提供一种制备“砖-泥结构”仿贝壳高强度高透明性的纳米复合薄膜的方法，所述制备方法中，利用机械搅拌的方法剥离层状的蒙脱土 (MMT)，离心后得到单层MMT片的水溶液，然后和等浓度的海藻酸钠(ALG) 水溶液充分混合搅拌后，加入一定量的氯化钴，让 ALG在钴离子的作用下形成网状结构，最后用真空抽滤的方法制备微红色透明仿贝壳复合薄膜，通过热压进一步提高薄膜的力学性能，获得高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。具体步骤如下：第一步，制备MMT胶体；第二步，制备ALG溶液，并将MMT胶体与ALG水溶液混合；第三步，向第二步的混合溶液中加入氯化钴；第四步，对第三步的溶液进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜；第五步，对第四步的薄膜进行热压操作，然后自然晾干即可得到高强度微红色仿贝壳透明薄膜。
所述高强度微红色透明仿贝壳薄膜具有“砖-泥”结构，具有优异的力学性能，拉伸强度高达333MPa，平均形变为4.5％，并且此薄膜为微红色，具有优异的透明性，可见光透过率高达68％以上。
本发明的优点在于：(1) 本发明中所用的原材料都是自然界中大量存在的物质，不需要进行化工合成，具有绿色、无毒、无污染的特性，原料成本很低，经济上有很大的优势；(2) 本发明中用到的方法步骤简单易操作，同样具备绿色、经济、快速的特点；(3) 本发明制备的薄膜具有高强度，拉伸强度高达为333MPa，其应力都远大于贝壳 (130MPa) 的应力，薄膜的可见光透过率超过 68％；(4) 本发明制备的高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜在航空航天、军事、民用工程及机械等领域表现出广阔应用前景，同时也为其他科研人员提供一种新的思路。
附图说明
图1A为ALG/MMT复合薄膜截面低倍SEM图，标尺为10um；1B为ALG/MMT复合薄膜截面高倍SEM图，标尺为2 um。
图2为ALG/MMT复合薄膜截面能谱图；图中插图为样品薄膜横截面C、Si、Co元素的面分布图。
图3为ALG/MMT复合薄膜应力应变曲线。
图4为ALG/MMT复合薄膜紫外透过曲线，插图为样品实物图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜及其制备方法，所述的制备方法具体包括如下步骤：第一步，制备MMT 胶体；将MMT溶解在蒸馏水中形成0.2～2wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌至少1周时间后，离心得到的上清液即为剥离成单片的 MMT胶体；第二步，将得到的MMT胶体和ALG水溶液混合，搅拌至充分混合得到混合溶液；所述ALG水溶液的质量百分比浓度为0.1～1wt％；混合溶液中MMT和ALG 质量比为1:9 到1:1；第三步，向第二步的混合溶液中加入CoCl2，搅拌使之充分混合，由于Co2+和ALG发生耦合作用；所述 CoCl2的质量为ALG质量的 10 ～200％；第四步，将溶液进行真空抽滤，得到本发明的微红色透明仿贝壳复合薄膜；第五步，最后用热压方法将复合薄膜进行热压，使样品的结构更加规整紧密，进一步提高样品的力学性能。
实施例1。
第一步，将0.2g MMT溶解在100g蒸馏水中形成0.2wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌1周后，离心得到的上清液即为剥离成单片的 MMT 胶体。
第二步，将得到的MMT上清液和1wt％ALG水溶液混合，搅拌至充分混合得到混合溶液；混合溶液中MMT和ALG的质量比为1:9。
第三步，向第二步的混合溶液中加入适量的 CoCl2，搅拌使之充分混合，由于Co2+和ALG发生耦合作用；所述加入的CoCl2的质量为 ALG质量的200％。
第四步，最后将溶液进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜。
第五步，最后用热压方法将复合薄膜进行热压，使样品的结构更加规整紧密，进一步提高样品的力学性能，得到本发明的高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。
实施例2。
第一步，将1g MMT溶解在100g蒸馏水中形成1wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌1周后，离心得到的上清液即为剥离成单片的 MMT 胶体。
第二步，将得到的MMT上清液和1wt％ALG水溶液混合，搅拌至充分混合得到混合溶液；混合溶液中MMT和ALG的质量比为2:3。
第三步，向第二步的混合溶液中加入适量的 CoCl2，搅拌使之充分混合，由于Co2+和ALG发生耦合作用，形成蛋盒结构；所述加入的 CoCl2的质量为ALG质量的100％。
第四步，最后将溶液进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜。
第五步，最后用热压方法将复合薄膜进行热压，使样品的结构更加规整紧密，进一步提高样品的力学性能，得到本发明的高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。
实施例3。
第一步，将 2g MMT溶解在100g蒸馏水中形成2wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌1周后，离心得到的上清液即为剥离成单片的MMT胶体。
第二步，将得到的MMT上清液和0.1wt％ALG水溶液混合，搅拌至充分混合得到混合溶液；混合溶液中MMT和ALG的质量比为1:9。
第三步，向第二步的混合溶液中加入适量的CoCl2，搅拌使之充分混合，由于Co2+和ALG发生耦合作用，形成蛋盒结构；所述加入的 CoCl2 的质量为ALG质量的10％。
第四步，最后将溶液进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜。
第五步，最后用热压方法将复合薄膜进行热压，使样品的结构更加规整紧密，进一步提高样品的力学性能，得到本发明的高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。
图1中，A图、B图分别为ALG/MMT复合薄膜横截面低倍SEM图和高倍SEM图，图1A中说明本发明制备的薄膜厚度均匀规整，图1B 是对图2C局部放大图，可以看出，本发明制备出的ALG/MMT复合薄膜具有类贝壳的层层的“砖－泥”结构。
图2中，ALG/MMT复合薄膜横截面样品的能谱图，从图中可以看出样品含有MMT具有的Si元素和ALG含有的C元素，以及用作交联作用的氯化钴所含有的Co元素。从图中的插图中C、Si、Co元素的均匀分布分别说明生物高分子海藻酸钠、无机物蒙脱土以及交联剂氯化钴均匀分布在整个样品中。
图3中三条曲线分别对应实施例1～3中的ALG/MMT复合薄膜的拉伸试验应力-应变曲线。从附图可知，本发明所制备ALG/MMT 复合薄膜样品的性能稳定，最高拉伸应力可以达到333MPa，应变可以达到为4.5％，具有高强度特性，其应力应变都远大于贝壳 (130MPa)的应力应变。
从图4我们可以看出，本发明制备得到的薄膜样品在可见光区域的透过率大于60％，说明真空抽滤的方法制备ALG/MMT复合薄膜规整，和SEM图像规整的层结构以及能谱元素的均匀分布吻合，因为 MMT片层层平行堆叠，有利于可见光的透过。样品的微红色是由于钴元素的颜色造成的。同时从图4右下角的照片可以看出本发明制备的 ALG/MMT 复合薄膜样品为透明的直径约为4cm 的圆型薄膜。

Claims (6)

1.一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，第一步，制备MMT胶体；第二步，制备ALG溶液，并将 MMT 胶体与 ALG 水溶液混合，混合溶液中MMT和ALG 质量比为1:9到1:1；第三步，向第二步的混合溶液中加入氯化钴，形成蛋盒结构；第四步，对第三步的溶液进行真空抽滤，然后剥离滤膜得到微红色仿贝壳复合薄膜；第五步，对第四步的薄膜进行热压操作，然后自然晾干即可得到高强度微红色仿贝壳透明薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜的制备方法，其特征在于：第一步具体为，将 MMT 溶解在蒸馏水中形成0.2～2wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌至少1周时间后，离心得到的上清液即为剥离成单片的 MMT 胶体。
3.根据权利要求1所述的一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述ALG水溶液的质量百分比浓度为0.1～1wt％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜的制备方法，其特征在于：第三步中所述CoCl2的加入量为ALG质量的10～200％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜的制备方法，其特征在于：第一步，将1g MMT溶解在100g蒸馏水中形成1wt％MMT水溶液，然后用磁力搅拌器搅拌1周后，离心得到的上清液即为剥离成单片的MMT胶体；第二步，将得到的MMT上清液和1wt％ALG水溶液搅拌混合得到混合溶液，混合溶液中MMT和ALG的质量比为2:3；第三步，向第二步的混合溶液中加入CoCl2，搅拌使之充分混合，由于Co2+和ALG发生耦合作用，形成蛋盒结构，所述加入的CoCl2的质量为ALG质量的40％；第四步，将溶液进行真空抽滤，得到微红色透明仿贝壳复合薄膜；第五步，最后将薄膜进行热压操作，得到本发明的高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜。
6.一种高强度微红色透明仿贝壳复合薄膜，其特征在于：具有 “砖-泥”层层结构，拉伸强度高达333MPa，形变达4.5％，并且此薄膜为微红色，具有优异的透明性，可见光透过率高达68％以上。
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