專利名稱：一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料及其制備方法和應(yīng)用，尤其是一種將尺寸范圍介于微米與厘米范圍的大顆?；蛘呃w維與尺寸范圍介于數(shù)納米至數(shù)十微米的小的顆粒或者纖維組合構(gòu)成分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)在大尺寸材料非平整表面沉積小尺寸材料或者將流體態(tài)物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的方法獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)材料并將其應(yīng)用于功能材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
目前，隨著超細(xì)材料特別是納米尺寸材料的發(fā)展，超細(xì)材料的高的比表面積、包括納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等性能為人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然提供了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。目前，包括納米材料在內(nèi)的超細(xì)材料主要以與其它材料包括高分子材料混合而成的塊體材料如納米塑料、超細(xì)材料的粉末燒結(jié)體、平整表面上的有序或者無(wú)序組合薄膜、流體添加劑而得到廣泛應(yīng)用。然而在很多情況下，由于超細(xì)材料本身的一些缺陷，其使用受到一定程度的限制。如超細(xì)纖維的強(qiáng)度比常規(guī)纖維小很多，因此人們不能通過(guò)常規(guī)的纖維處理手段利用超細(xì)纖維而編織衣物。再如，納米材料與宏觀塊體材料存在很多性能方面的差異，當(dāng)人們需要同時(shí)利用納米材料與宏觀塊體材料的性能時(shí)，人們常常選擇余地有限。而且超細(xì)材料在成本上常常高于宏觀塊體材料，而超細(xì)材料的利用也常常只局限于很小的范圍，如細(xì)菌、病毒的的防護(hù)僅局限于材料的表面及縫隙處，結(jié)果如果象防護(hù)織物等產(chǎn)品全部由超細(xì)材料制備，不但浪費(fèi)了資源，而且提高了產(chǎn)品的成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是針對(duì)目前包括納米材料在內(nèi)的超細(xì)材料發(fā)展上的一些缺陷，發(fā)明一種將微觀與宏觀結(jié)構(gòu)材料結(jié)合的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料以充分利用超細(xì)材料的優(yōu)良性能及宏觀體材料的特性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的制造方法。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，它至少有二種顆粒或纖維組成，其中一種是尺寸介于微米與厘米之間的大顆粒或大纖維，另一種是尺寸介于數(shù)納米與數(shù)十微米之間的小顆?；蛐±w維，其特征是(1)所述的大顆粒、大纖維或者大顆粒與大纖維的混合物組成基材，所述的小顆粒或小纖維固定在位于基材表面上的大顆?；虼罄w維上，即存在下述六種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料基材表面上的大顆粒上固定有小顆粒、基材表面上的大顆粒上固定有小纖維、基材表面上的大纖維上固定有小顆粒、基材表面上的大纖維上固定有小纖維、基材表面上的大顆粒上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維及基材表面上的大纖維上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維。
(2)在所述的大顆?；虼罄w維表面固定有所述的小顆?；蛐±w維，固定有小顆?；蛐±w維的大顆?；虼罄w維組成基材，即存在下述六種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料大顆粒表面上固定有小顆粒、大顆粒表面上固定有小纖維、大纖維表面上固定有小顆粒、大纖維表面上固定有小纖維、大顆粒表面上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維及大纖維表面上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維。
小顆?；蛘咝±w維通過(guò)物理作用力或者化學(xué)作用力固定在大顆?；蛘叽罄w維表面。
大顆?；蛘叽罄w維與小顆?；蛘咝±w維之間的界面通過(guò)對(duì)復(fù)合材料劃分平行截面并在所有的截面內(nèi)步長(zhǎng)從1納米開(kāi)始逐步遞增至截面周長(zhǎng)在截面內(nèi)尋找曲線與割線比例大于1.5的割線與曲線的相交點(diǎn)并選擇特定區(qū)域內(nèi)比例最大者所確定的相交點(diǎn)為該區(qū)域內(nèi)大尺寸材料與小尺寸材料的界點(diǎn)，將相鄰的截面通過(guò)選定其中一個(gè)截面并以一定步長(zhǎng)在截面內(nèi)運(yùn)動(dòng)并將每一個(gè)步長(zhǎng)點(diǎn)與相鄰截面上的距離最短點(diǎn)連接從而將兩個(gè)截面復(fù)合，重復(fù)該步驟直至所有截面復(fù)合為三維圖形，其中所有界點(diǎn)即為大尺寸材料與小尺寸材料的界面點(diǎn)，個(gè)別大尺寸材料與小尺寸材料相交界面的界面點(diǎn)不能通過(guò)上述方法確定時(shí)可以利用上述方法確定的相鄰界面點(diǎn)中值插入的方法獲得。
所述的小顆?；蛐±w維上距小顆?；蛐±w維與大顆?；虼罄w維相交平面最遠(yuǎn)點(diǎn)與小顆?；蛐±w維與大顆?；虼罄w維相交平面上任意兩點(diǎn)的夾角大于90度的小顆?；蛐±w維比例小于1％；小顆?；蛐±w維覆蓋基材的面積介于1％～100％之間；且小顆?；蛘咝±w維與大顆?；蛘叽罄w維間的平均尺寸大小至少相差1倍。
所述的大顆?；虼罄w維以及所述的小顆?；蛐±w維為實(shí)心、中空、多孔或者泡沫結(jié)構(gòu)，它們或是同種材料或是不同種材料。
本發(fā)明的第二目的技術(shù)方案是一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于它是通過(guò)在流體態(tài)環(huán)境中在大顆粒或大纖維表面通過(guò)物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)沉積小顆?；蛐±w維而制得，所述的流體態(tài)是指具有流動(dòng)能力的物質(zhì)狀態(tài)，包括氣態(tài)、液態(tài)、玻璃態(tài)、等離子體態(tài)、超臨界流體態(tài)。流動(dòng)態(tài)中可包含相對(duì)主流動(dòng)態(tài)高密度的物質(zhì)，如固態(tài)顆粒、液態(tài)顆粒等。
所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的原料或者全部流體化或者部分流體化后通過(guò)物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。
本發(fā)明的第三目的的解決方案為一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料以顆粒、纖維、薄膜、布?jí)K或塊體結(jié)構(gòu)用作功能材料。用作功能材料的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料具有分離、防護(hù)、抗菌、防臭、催化、傳感、裝飾、結(jié)構(gòu)支撐、生物相容、存儲(chǔ)、可控釋放、導(dǎo)電、修復(fù)、保健、智能響應(yīng)、芳香、粘合中的一種或者多種功能。分級(jí)結(jié)構(gòu)材料在所使用材料中的比例介于1％～100％。
本發(fā)明的有益效果克服了包括納米材料在內(nèi)的超細(xì)材料發(fā)展上的一些缺陷，將微觀與宏觀結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，充分利用超細(xì)材料的優(yōu)良性能如高的比表面積等及宏觀體材料的性能如強(qiáng)度高、易處理等，將其應(yīng)用于物質(zhì)的分離、有害物質(zhì)的防護(hù)、反應(yīng)催化、傳感檢測(cè)、裝飾、結(jié)構(gòu)支撐、生物相容等領(lǐng)域具有制備方便，成本低，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，可大大降低功能材料的制造成本，充分發(fā)揮超細(xì)材料和宏觀體材料的特性。
圖1是本發(fā)明的大顆粒上沉積小顆粒的分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的大顆粒上沉積小纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的大纖維上沉積小顆粒的分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的大纖維上沉積小纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的大尺寸材料與小尺寸材料的界點(diǎn)示意圖。
圖6是本發(fā)明的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料截面上的曲線a及割線b的示意圖。
圖5中小尺寸材料顆粒A表面上距離大尺寸材料表面最遠(yuǎn)處與小尺寸材料與大尺寸材料相交面上兩點(diǎn)的夾角等于90度。小尺寸材料顆粒B表面上距離大尺寸材料表面最遠(yuǎn)處與小尺寸材料與大尺寸材料相交面上兩點(diǎn)的夾角大于90度。小尺寸材料顆粒C表面上距離大尺寸材料表面最遠(yuǎn)處與小尺寸材料與大尺寸材料相交面上兩點(diǎn)的夾角小于90度。顆粒A與顆粒C為本發(fā)明分級(jí)結(jié)構(gòu)材料中的小尺寸材料。a表示大尺寸材料的表面，b表示小尺寸材料的表面，c表示大尺寸材料與小尺寸材料的界點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1～6所示。
一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，在該材料中存在尺寸范圍不同的兩種或者兩種以上分級(jí)結(jié)構(gòu)一種是尺寸范圍介于微米與厘米范圍的大顆?；蛘呃w維；另一種是尺寸范圍介于數(shù)納米至數(shù)十微米的小的顆?；蛘呃w維。纖維材料的尺寸是指其直徑的尺寸大小。小尺寸結(jié)構(gòu)材料通過(guò)物理或者化學(xué)作用力有序或者無(wú)序地固定在大尺寸結(jié)構(gòu)材料的非平整表面上從而構(gòu)成具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的顆?；蛘呃w維。所述的小顆?；蛐±w維上距小顆?；蛐±w維與大顆?；虼罄w維相交平面最遠(yuǎn)點(diǎn)與小顆?；蛐±w維與大顆?；虼罄w維相交平面上任意兩點(diǎn)的夾角大于90度的小顆?；蛐±w維比例小于1％。小尺寸材料覆蓋大尺寸材料的覆蓋面積介于1％～100％之間，且小顆?；蛘咝±w維與大顆粒或者大纖維間的平均尺寸大小至少相差1倍。如圖1～4所示。
所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料中的顆粒或者纖維可以呈現(xiàn)為實(shí)心、中空、多孔或者泡沫狀。分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的小尺寸材料與大尺寸材料可以是同種材料也可以是不同材料，可以是一種成分也可以包含超過(guò)一種成分的多種成分。分級(jí)結(jié)構(gòu)材料以顆粒、纖維、薄膜、塊體而得到應(yīng)用。
本實(shí)施例的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料是通過(guò)在大尺寸材料表面通過(guò)物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)沉積小尺寸的材料而獲得。具體實(shí)施時(shí)還可通過(guò)在流體態(tài)環(huán)境中利用物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)將流體態(tài)材料轉(zhuǎn)化為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。流體態(tài)是指具有流動(dòng)能力的物質(zhì)狀態(tài)，包括氣態(tài)、液態(tài)、玻璃態(tài)、等離子體態(tài)、超臨界流體態(tài)。流動(dòng)態(tài)中可包含相對(duì)主流動(dòng)態(tài)高密度的物質(zhì)，如液體中固態(tài)顆粒、氣體中液態(tài)顆粒等。
本實(shí)施例的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料可作為功能材料使用。當(dāng)作為功能材料時(shí)分級(jí)結(jié)構(gòu)材料具有分離、防護(hù)、抗菌、防臭、催化、傳感、裝飾、結(jié)構(gòu)支撐、生物相容、存儲(chǔ)、可控釋放、導(dǎo)電、修復(fù)、保健、智能響應(yīng)、芳香、粘合等功能中的一種或者多種功能。分級(jí)結(jié)構(gòu)材料在所使用材料中所占比例介于1％～100％。
具體實(shí)施例1取數(shù)十微米中空玻璃球浸泡入1M的三氯化鐵溶液中約5分鐘，取出后干燥，并置于管式反應(yīng)爐內(nèi)，通入一定比例的乙炔、氮?dú)?、氫氣，?000攝氏度反應(yīng)約2小時(shí)后得到在中空玻璃表面覆蓋有直徑約10納米的中空碳納米管的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該材料可作為導(dǎo)電材料而用于傳感或者作為結(jié)構(gòu)支撐及存儲(chǔ)材料而用于電池電極。
具體實(shí)施例2將溫度控制在60攝氏度的質(zhì)量/體積比為10％的醋酸鋅及1％明膠水溶液通過(guò)超聲噴霧技術(shù)向下噴灑，而其下方溫度控制在120度的二氧化碳?xì)怏w向上運(yùn)動(dòng)，收集沉積的顆粒得到小尺寸約數(shù)十納米的碳酸鋅顆粒覆蓋的大尺寸約數(shù)十至數(shù)百微米的明膠顆粒的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該材料可作為具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)功能而用于醫(yī)用創(chuàng)可貼。
具體實(shí)施例3將6g平均粒徑50微米的鋅微球加入200毫升蒸餾水中并進(jìn)行攪拌，然后加入40毫升0.5M的硝酸鋅及5M的氫氧化鈉溶液，在高壓反應(yīng)釜中180度反應(yīng)1時(shí)后冷卻、過(guò)濾、清洗、干燥得到數(shù)十微米鋅微球表面覆蓋有直徑100至300納米的桿狀氧化鋅顆粒所組成的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該分級(jí)結(jié)構(gòu)材料可以利用其半導(dǎo)體性能而應(yīng)用于氣體傳感裝置。
具體實(shí)施例4將質(zhì)量百分比為5％的乙酰丙酮鐵10％聚丙烯腈N，N-二甲基甲酰胺溶液通過(guò)濕紡獲得平均直徑為50微米左右的聚丙烯腈纖維。然后將該纖維在250攝氏度于空氣中處理3小時(shí)，然后在氬氣中以5度/min的速度升溫至500攝氏度，然后在H2/Ar＝1∶3的氫氣與氬氣混合氣體中反應(yīng)4小時(shí)將三價(jià)鐵還原成鐵元素后，在氬氣中以5度/min的速度升溫至1100攝氏度并在1100攝氏度保持半小時(shí)以使聚丙烯腈碳化后在氬氣保護(hù)下降溫至700度，然后在700攝氏度氬氣以600毫升/min的速度通過(guò)液態(tài)正己烷并攜帶正己烷氣體與上述碳化的纖維反應(yīng)20分鐘，然后在氬氣保護(hù)下冷卻至室溫，得到基于直徑為數(shù)十微米聚丙烯腈的碳纖維為大纖維，直徑為10納米左右碳納米管為小纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，該材料可以利用其導(dǎo)電功能及存儲(chǔ)功能而用作電池電極材料。
具體實(shí)施例5將摩爾比正硅酸乙酯∶乙醇∶水∶氯化氫∶十六烷基三甲基溴化銨為1∶22∶5∶0.004∶0.15的混合物在60攝氏度攪拌反應(yīng)一個(gè)半小時(shí)后以2.5個(gè)大氣壓下進(jìn)行霧化，霧化顆粒通過(guò)一個(gè)400攝氏度的反應(yīng)、干燥區(qū)后以溫度控制在80攝氏度的過(guò)濾器收集，得到數(shù)十納米大顆粒上覆蓋有數(shù)納米氣泡顆粒的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該材料可以用作催化功能材料。
具體實(shí)施例6
將質(zhì)量百分比為5％的乙酰丙酮鐵的10％聚乙烯醇水溶液通過(guò)濕紡獲得平均直徑為50微米左右的聚乙烯醇纖維。將該纖維置于質(zhì)量百分比為25％的草酸乙醇溶液中浸泡并在高溫處理得到由磁性材料γ-氧化鐵組成的數(shù)十微米直徑的大纖維上覆蓋有數(shù)十至數(shù)百納米的小纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該材料可以應(yīng)用于磁記錄及磁分離領(lǐng)域。
具體實(shí)施例7將質(zhì)量百分比為2％的三氯化鐵、3％的二氯化鐵的5％聚乙烯醇水溶液30毫升與100毫升甲基硅油混合后，超聲分散，并在零下20攝氏度冷凍2小時(shí)后取出解凍，然后再冷凍再解凍，重復(fù)5次后，過(guò)濾、清洗得到數(shù)十至數(shù)百微米的的聚乙烯醇顆粒。將該聚乙烯醇顆粒置于2摩爾/升的氨水中反應(yīng)2天后過(guò)濾、清洗、干燥得到由數(shù)十微米至數(shù)百微米聚乙烯醇表面覆蓋有數(shù)納米至數(shù)十納米的磁性四氧化三鐵納米纖維構(gòu)成的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。該材料可以用于磁性流體領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，它至少有二種顆?；蚶w維組成，其中一種是尺寸介于微米與厘米之間的大顆粒或大纖維，另一種是尺寸介于數(shù)納米與數(shù)十微米之間的小顆?；蛐±w維，其特征是(1)所述的大顆粒、大纖維或者大顆粒與大纖維的混合物組成基材，所述的小顆粒或小纖維固定在位于基材表面上的大顆?；虼罄w維上，即存在下述六種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料基材表面上的大顆粒上固定有小顆粒、基材表面上的大顆粒上固定有小纖維、基材表面上的大纖維上固定有小顆粒、基材表面上的大纖維上固定有小纖維、基材表面上的大顆粒上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維及基材表面上的大纖維上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維。(2)在所述的大顆?；虼罄w維表面固定有所述的小顆粒或小纖維，固定有小顆?；蛐±w維的大顆粒或大纖維組成基材，即存在下述六種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料大顆粒表面上固定有小顆粒、大顆粒表面上固定有小纖維、大纖維表面上固定有小顆粒、大纖維表面上固定有小纖維、大顆粒表面上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維及大纖維表面上同時(shí)固定有小顆粒及小纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，其特征是所述的小顆?；蛘咝±w維通過(guò)物理作用力或者化學(xué)作用力固定在大顆?；蛘叽罄w維表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，其特征是所述的小顆粒或小纖維上距小顆?；蛐±w維與大顆?；虼罄w維相交平面最遠(yuǎn)點(diǎn)與小顆?；蛐±w維與大顆粒或大纖維相交平面上任意兩點(diǎn)的夾角大于90度的小顆?；蛐±w維比例小于1％；小顆粒或小纖維覆蓋基材的面積介于1％～100％之間；且小顆粒或者小纖維與大顆?；蛘叽罄w維間的平均尺寸大小至少相差1倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，其特征是所述的大顆?；虼罄w維以及所述的小顆?；蛐±w維為實(shí)心、中空、多孔或者泡沫結(jié)構(gòu)，它們或是同種材料或是不同種材料。
5.一種制備權(quán)利要求1所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征在于它是通過(guò)在流體態(tài)環(huán)境中在大顆粒或大纖維表面通過(guò)物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)沉積小顆?；蛐±w維而制得，所述的流體態(tài)是指具有流動(dòng)能力的物質(zhì)狀態(tài)，包括氣態(tài)、液態(tài)、玻璃態(tài)、等離子體態(tài)、超臨界流體態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征是所述的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的原料或者全部流體化或者部分流體化后通過(guò)物理效應(yīng)和/或化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的分級(jí)結(jié)構(gòu)材料。
7.一種權(quán)利要求1所述的分級(jí)材料的特征在于其以顆粒、纖維、薄膜、布?jí)K或塊體結(jié)構(gòu)用作功能材料；分級(jí)結(jié)構(gòu)材料作為功能材料具有分離、防護(hù)、抗菌、防臭、催化、傳感、裝飾、結(jié)構(gòu)支撐、生物相容、存儲(chǔ)、可控釋放、導(dǎo)電、修復(fù)、保健、智能響應(yīng)、芳香、粘合功能中的一種或者多種；分級(jí)結(jié)構(gòu)材料在所使用材料中的比例介于1％～100％。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分級(jí)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法，它至少有二種顆?；蚶w維組成，其中一種是尺寸介于微米與厘米之間的大顆粒或大纖維，另一種是尺寸介于數(shù)納米與數(shù)十微米之間的小顆?；蛐±w維，可廣泛應(yīng)用于分離、防護(hù)、抗菌、防臭、催化、傳感、裝飾、結(jié)構(gòu)支撐、生物相容、存儲(chǔ)、可控釋放、導(dǎo)電、修復(fù)、保健、智能響應(yīng)、芳香、粘合等領(lǐng)域中，克服了包括納米材料在內(nèi)的超細(xì)材料發(fā)展上的一些缺陷，將微觀與宏觀結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，充分利用超細(xì)材料的優(yōu)良性能如高的比表面積等及宏觀體材料的性能如強(qiáng)度高、易處理等，可大大降低功能材料的制造成本，充分發(fā)揮超細(xì)材料和宏觀體材料的特性。
文檔編號(hào)B32B37/00GK1792631SQ20051009540
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者張愛(ài)華, 張繼中 申請(qǐng)人:張愛(ài)華