埃洛石纳米管及甲壳素纳米晶须蒸发自组装的研究及应用

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埃洛石纳米管(HNTs)和甲壳素晶须(Ch NCs)都是具有管棒状纳米结构的天然一维纳米材料。通过对其特殊的纳米结构和自组装行为的研究,可以有效地发挥材料的潜能,扩展其应用范围。本文首先探索HNTs在敞开环境下的蒸发自组装行为,制备了HNTs咖啡环。利用载玻片构造出具有受限空间的三明治结构,令HNTs在受限空间中蒸发自组装,形成了独特的蠕虫状结构。利用受限空间蒸发诱导自组装的方法将与HNTs形貌相似的Ch NCs制备成环境友好型纳米粘合剂。(1)通过物理提纯法纯化HNTs,将其配置成不同浓度的HNTs水分散液,使用载玻片作为敞开空间的基底探索HNTs水分散液的蒸发自组装过程。通过偏光显微镜、扫描电镜等对HNTs组装形成的圆环形图案(咖啡环)进行多角度表征,结果表明HNTs在咖啡环中高度有序排列。通过控制变量的方法,发现咖啡环图案的径宽、高度和面积取决于HNTs分散液浓度、液滴体积。此外,可以通过提高蒸发温度或加入表面活性剂来抑制咖啡环的形成。本工作探索了HNTs蒸发自组装形成有序结构的可能性,为HNTs在有序组装的纳米技术方面提供了新的研究思路。(2)通过干燥两块平行载玻片之间的HNTs液膜,获得了一种特殊蠕虫状微/纳图案。该装置产生的受限空间可以通过改变水分蒸发的方向从而使HNTs发生独特的自组装过程,在载玻片表面形成蠕虫状图案。通过偏光光学显微镜拍摄并录像记下蠕虫状图案的形貌以及形成过程,并提出相应模型来描述形成过程。在所有实验埃洛石浓度(1-16 wt%)中都能观察到蠕虫状图案的双折射现象,图案的条纹宽度和高度随HNTs分散液浓度、干燥温度以及密闭空间高度增加而增加。基底上的图案面积也随埃洛石浓度,液膜体积的增加而增加,并随受限空间高度的增大而减小。形成的蠕虫状图案可以转印以制备PDMS印模,并且通过使用PDMS印模精确地获得丁苯橡胶的蠕虫状图案。(3)有机溶剂型粘合剂在使用过程中对环境和人体造成的危害,使用蒸发诱导自组装的方式将Ch NCs悬浮液制备成粘合各向异性纳米胶,这是一种环境友好型的高粘合强度水溶型粘合剂。Ch NCs是从蟹壳中提取出来具有高长径比的棒状纳米颗粒,主要用于增强聚合物纳米复合材料和生物医学纳米材料。Ch NCs悬浮液夹在粘合基体之间,通过自组装形成长程有序的层状纳米结构。Ch NCs纳米胶具有很高的各向异性粘合强度,体现为在玻璃基底上面内粘合强度有5.26 MPa,面外粘合强度仅有0.46 MPa。Ch NCs纳米胶适用于玻璃、塑料、木材、金属、纸张等多种材料,并且对成纤维细胞和大鼠皮肤具有良好的生物相容性和安全性。Ch NCs纳米胶作为一种环保、高性能的粘合剂,在日常生活和工业领域有着广阔的应用前景。
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