一种自愈合聚合物-纳米复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种自愈合聚合物-纳米复合材料的制备方法 (Preparation method of self-healing polymer-nano composite material ) 是由 陈苏 翟江 刘畅 李阁 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种自愈合聚合物-纳米复合材料的制备方法,在聚合物基材上原位生成碳量子点,双螺杆挤出形成自愈合聚合物-纳米复合材料。通过该方法得到的复合材料具有优异的荧光性、良好的机械强度以及自愈合性能。相比于传统的柔性自愈合聚合物,实现了硬性聚合物的自愈合行为,极大的拓展了聚合物材料的应用范围。同时,制备方法简便易行,具有较强的推广和应用价值。(The invention relates to a preparation method of a self-healing polymer-nano composite material, which comprises the steps of generating carbon quantum dots on a polymer substrate in situ, and extruding by a double screw to form the self-healing polymer-nano composite material. The composite material obtained by the method has excellent fluorescence, good mechanical strength and self-healing performance. Compared with the traditional flexible self-healing polymer, the self-healing behavior of the hard polymer is realized, and the application range of the polymer material is greatly expanded. Meanwhile, the preparation method is simple and easy to implement, and has strong popularization and application values.)
技术领域
本发明涉及一种具有优异荧光性、良好的机械强度以及自愈合性能的聚合物-纳米复合材料的制备方法，此自愈合材料可广泛用于各种工程材料，延长其使用寿命。同时制备方法简单易行且具有创新性。
技术背景
现今，各种各样的高分子聚合物材料正在被广泛应用于我们日常生产生活中的工业产品中。但其一大缺点在于这些工程材料随着长时间的使用，会逐渐老化、降解。由此，自愈合高分子材料引起了研究者的重点关注。许多自愈合聚合物也成功制备得到。但是就目前而言，所报道的自愈合聚合物都是通过单体的聚合反应制备的柔性聚合物材料，这类柔性聚合物自愈合材料强度低，延展性良好，可以广泛应用于电子皮肤、光电器件显示以及医学方面。但与此同时，传统的工程塑料、工程聚合物材料需要具备一定的拉伸强度，例如常用的聚丙烯塑料、橡胶轮胎、聚酯材料等等，实现这些传统硬性聚合物材料的自愈合可以利于延长其使用寿命，从而降低了生产成本，提高生产效率。而目前很少有此类自愈合材料的研究报道。基于此，开展对硬性工程聚合物材料自愈合性能的研究有很大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种自愈合聚合物-纳米复合材料的制备方法，通过该方法制备得到的自愈合聚合物-纳米复合材料赋予了材料优异的荧光性、良好的机械强度，更重要的是使得材料实现自愈合性能，并且是不同于传统柔性自愈合聚合物的硬性自愈合聚合物复合材料。这极大的提高了材料的附加值，可广泛运用工程材料领域。
本发明的技术方案如下：一种自愈合聚合物-纳米材料的制备方法，其特征在于：在聚合物基材上原位生成碳量子点，双螺杆挤出形成自愈合聚合物-纳米复合材料。其具体步骤如下：
步骤一：复合配料，将碳量子点前驱体粉末和聚合物基材充分均匀混合，或者是碳量子点前驱体粉末与氮化碳和聚合物基材充分均匀混合；
步骤二：挤出切粒，将充分混合的复合料通过双螺杆挤出机原位生成碳量子点并通过切粒机形成自愈合聚合物-纳米复合材料。
优选所述的碳量子点前驱体粉末为海藻酸钠-尿素、柠檬酸-尿素或柠檬酸盐-尿素；其中碳量子点前驱体粉末中尿素的质量分数为50％～75％。
优选在碳量子点前驱体粉末与聚合物基材混合时，加入氮化碳，得到自愈合聚合物-纳米复合材料的愈合性能有一定提升。
优选所述的聚合物基材为聚甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
优选所述的碳量子点前驱体粉末和聚合物基材的质量比为0.01-0.5；氮化碳和聚合物基材的质量比为0.01-0.1。
优选所述的双螺杆挤出机的反应温度为180℃～230℃。
有益效果：
1、本发明可以作为一种简便快速制备碳量子点的方法，与传统的制备方法相比更加简便，同时实现了大规模连续制备碳量子点。与聚合物的耦合保持了碳量子点自身的荧光性质，也易于后续的加工。
2、本发明创新性在于在聚合物/碳量子点自愈合复合材料中加入了氮化碳，其端基更易形成氢键以及共价键，进一步提升材料的自愈合性能。
3、以简便的制备方法实现了硬性聚合物材料的自愈合性能，在维持原始聚合物力学性能的同时，赋予其良好的自愈合能力。扩大了聚合物产品的运用领域，提高了产品附加值。
附图说明
图1为实施例1中的自愈合聚合物-纳米材料的实物图，其中a为切粒后的粒子，b为注射成型的样品形貌。
图2为聚合物基材聚甲基丙烯酸甲酯(a)、实施例1(b)和实施例5(c)的自愈合聚合物-纳米材料的红外谱图。
图3为实施例5的自愈合聚合物-纳米材料的愈合效率表征(由万能试验机测试材料的拉伸强度)，其中a为材料原始强度，b为愈合后材料的强度。
具体实施方式
：
实施例1：
1.按质量比为1:2称取柠檬酸和尿素，即为碳量子点的前驱体粉末，与聚甲基丙烯酸甲酯不同比例(碳量子点前驱体与聚甲基丙烯酸甲酯质量比分别为0.02、0.1、0.5)混合均匀。
2.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的反应温度设定为200℃。设定双螺杆的主机转速15r/min，喂料机速度10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B(材料的红外表征见附图2中b)。
3.组分B通过注射机注射成型(样品形貌如附图图1(b)所示)，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中数秒后拿出，在常温常压自然环境中观察自愈合现象。愈合效率由万能试验机测试材料原始和愈合后的拉伸强度之比来表征。
实施例2：
1.按质量比为1:1称取海藻酸钠和尿素，即为碳量子点的前驱体粉末，与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比0.1混合均匀。
2.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的反应温度设定为230℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中，数秒后拿出，在常温常压的自然环境中观察自愈合现象，并表征其自愈合性能。
实施例3：
1.按质量比为1:2称取柠檬酸锌和尿素，即为碳量子点的前驱体粉末，与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比0.1混合均匀。
2.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的反应温度设定为180℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中，数秒后拿出，在常温常压的自然环境中观察自愈合现象，并表征其自愈合性能。
实施例4：
1.按质量比为1:3称取柠檬酸和尿素，即为碳量子点的前驱体粉末，与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比0.1混合均匀。
2.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的熔体温度设定为200℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中，分别用硫酸和氨水调节溶液介质的pH值(pH＝3、pH＝10)。数秒后拿出，在常温常压的自然环境中观察自愈合现象，并表征其自愈合性能。
实施例5：
1.按质量比为2:1:2称取氮化碳、柠檬酸和尿素，混合物与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比0.03混合均匀。
3.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的熔体温度设定为200℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到氮化碳/碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B(材料的红外表征见附图2中c)。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中数秒后拿出，在常温常压自然环境中观察自愈合现象，表征其自愈合性能(性能测试见附图3)。
实施例6：
1.按质量比为3:1:2称取氮化碳、柠檬酸和尿素，混合物与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比0.2混合均匀。
3.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的熔体温度设定为200℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到氮化碳/碳量子点/聚甲基丙烯酸甲酯颗粒B。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中数秒后拿出，在常温常压自然环境中观察自愈合现象，表征其自愈合性能。
实施例7：
1.按质量比为3:1:2称取氮化碳、柠檬酸和尿素，混合物与聚氨酯按质量比0.2混合均匀。
3.将混合均匀的组分A放入双螺杆挤出机中进行融熔混合。其中双螺杆挤出机的熔体温度设定为200℃。设定双螺杆主机转速15r/min，喂料机速度为10r/min。挤出后采用水冷却的方式进行拉条降温，而后进入切粒机切粒，切粒速度设定与螺杆转速保持平行，得到氮化碳/碳量子点/聚氨酯颗粒B。
3.组分B通过注射机注射成型，用液氮冷却的方式将样品断裂，浸没于碳量子点的乙醇溶液(直接将复合材料颗粒溶于乙醇即可)中数秒后拿出，在常温常压自然环境中观察自愈合现象，表征其自愈合性能。