一种负泊松比多功能海绵及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新材料技术领域，具体设及一种负泊松比多功能海绵及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 具有低密度、柔性、力学回弹性及多功能性的海绵等多孔固体有着十分广泛的应 用前景。传统的聚合物海绵（例如聚氨醋海绵和=聚氯胺海绵）通常只能满足应用中对= 维多孔固体低密度、柔性和弹性方面的要求。为了实现特定的功能，人们尝试通过在宏观尺 度下发挥纳米材料的功能特性来实现海绵多功能性的制备方案。
[0003] 关于纳米材料组装成为=维宏观海绵的研究仍处于起步阶段，目前主要有两种方 法，溶液中自组装方法和模板法。前者可W制备出100%由特定的纳米材料组成宏观材料， 但是难W大批量制备，并且具有较差的结构及尺寸稳定性，例如不能承受拉伸、剪切和扭转 等复杂变形，甚至在大的压缩变形下也难W恢复到初始状态。模板法则有着较为优越的稳 定性，尤其是维传统海绵为模板的制备方法。近期的研究表明，形形色色的纳米材料例 如有机物纳米颗粒，金属纳米线、金属氧化物颗粒及碳纳米材料（碳纳米管和石墨締等）可 W与=维宏观骨架组合，制备出基于聚合物的多孔海绵材料，而不损失其骨架所带来的力 学性能（柔性和弹性等）D例如Qien等[Qien,W.etal.Hi組-performancenanostruc化red supercapacitorsonasponge.Nanoletters11，5165-5172(201]_).]通过将碳纳米管和 二氧化输颗粒化学浸涂在聚氨醋海绵骨架，制备出具有高电容的导电海绵。Xie等[Xie，X. etal.Graphene-spongesashigh-performancelow-costanodesformicrobialfuel cells.Energy&EnvironmentalScience5,6862-6866(2012). ;Xie，X.etal.Carbon nanotube-coatedmacroporousspongeformicrobialfuelcellelectrodes.Energy& EnvironmentalScience5, 5265-5270 (2012) ?]通过将碳纳米管或石墨締化学浸涂，制备 出碳纳米管海绵和石墨締海绵，并展示了其在微生物燃料电池电极材料上的应用。
[0004] 利用聚合物海绵在宏观尺度下发挥纳米材料的性能的文献还有很多，同 时也展示了其在超级电容器[Qien，W.etal.Hi組-performancenanostruc化red supercapacitorsonasponge.Nanoletters11，5165-5172 (2011).]、燃料电池[Xie，X. etal.Graphene-spongesashigh-performancelow-costanodesformicrobial fuelcells.Energy&EnvironmentalScience5, 6862-6866 (2012) ?]、弹性导体[Ge,J. etal.Stretchableconductorsbasedonsilvernanowires:improvedperformance throughabinarynetworkdesign.AngewandteChemie125, 1698-1703(2013).]、压 力传感器[Vandeparre，H.，Watson，D.feLacour，S.Extremelyrobustandconformable capacitivepressuresensorsbasedonflexiblepolyurethanefoamsand stretchablemetallization.AppliedPhysicsLetters103, 204103(2013).]、油水分 离器[Liu,Y.etal.Cost-Effective民educedGrapheneOxide-CoatedPolyurethane SpongeAsaHighlyEfficientandReusableOil-Absorbent.ACSApplied Materials&Interf*aces5, 10018-10026,doi: 10. 1021/am4024252 (2013).]、生物材料过滤
[Seok,S.etal.MultifunctionalPolyurethaneSpongeforPolymeraseChainReaction Enhancement.ACSappliedmate;rials&inte;rfaces7, 4699-4705 (2015).]甚至是药物 传牵俞材料[Merino,S. ,M曰rtin,C. ,Kost曰relos,K. ,Pr曰to,M. &Vdzquez,E.Nanocomposite Hydrogels:3DPolymer-NanoparticleSynergiesforOn-DemandDrugDelivery.ACS nanoD0I:10. 1021/acsnano.f5b01433. (201f5).]等方面的应用。 阳〇化]目前所有的工作都在尝试通过化学手段调控不同的纳米材料组分，然而，多孔固 体的多功能性质及应用往往很大程度上依赖其微结构，但目前没有任何文献和专利设及对 聚合物模板法制备的海绵材料微结构进行设计、调控及优化。同时，对其微结构调控的方案 将会是一种普适性的技术，用W优化其性能，扩展其应用领域。因此，一种对纳米海绵材料 的微结构进行调控，从而使其具有优良宏观性能及应用价值的技术有待开发。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种负泊松比多功能海绵及其制备方法，特 别是提供了一种具有弯曲纤维组成的孔状结构的负泊松比多功能海绵及其制备方法，其在 电导率、压阻灵敏度、力电稳定性、能量吸收、疏水性、缓冲及拉伸断裂应变方面具有极佳的 表现。
[0007] 为达此目的，本发明采用W下技术方案：
[000引第一方面，本发明提供一种负泊松比多功能海绵，在所述负泊松比多功能海绵负 载有纳米材料，所述负泊松比多功能海绵具有弯曲纤维组成的孔结构；所述弯曲纤维向内 凹陷。所述多功能指其具有的高电导率、高能量损耗、优异的疏水性、高压阻灵敏度、高拉伸 断裂应变W及负泊松比性质。
[0009] 运种纳米材料可W通过物理吸附在海绵微纤维的表面，使其可W有效在宏观尺度 下传递纳米材料的多功能性质，例如导电性、疏水性、压阻灵敏度及力电稳定性等。多功能 海绵具有弯曲纤维组成的孔结构，且所述弯曲纤维向内凹陷，多功能海绵因此具有负泊松 比效应，而运种负泊松比效应会带来如前所述的诸如导电性、疏水性、压阻灵敏度及力电稳 定性等性质的意想不到的提升，还具有更高的拉伸断裂应变。
[0010] 优选地，所述负泊松比多功能海绵的宏观密度为5-300mg/cm3,例如可W是5mg/ cm]、lOmg/cm]、ISmg/cm]、20mg/cm3、25mg/cm3、SOmg/cm]、SSmg/cm]、40mg/cm3、45mg/cm3、50mg/ cm3、75mg/cm3、100mg/cm3、125mg/cm3、150mg/cm3、ITSmg/cm]、200mg/cm3、225mg/cm3、250mg/ cm3、275mg/cm3或 300mg/cm3。
[0011] 优选地，所述负泊松比多功能海绵的初始泊松比为-0. 2~-0. 8,例如可W是-0. 8 、-0. 75、-0. 7、-0. 65、-0. 6、-0. 55、-0.日、-0. 45、-0. 4、-0. 35、-0. 3、-0. 25 或-0. 2。而初始泊 松比是可W通过不同的压缩比例、压缩溫度和时间进行调节的。尽管所述负泊松比多功能 海绵的初始泊松比为-0. 2~-0. 8,但在不同的应变水平下，其泊松比是可变的，此时便不 仅限于初始的泊松比范围。
[0012] 优选地，所述负泊松比多功能海绵的电导率为0. 001-104S/m，例如可W是0. 001S/ m、0. 005S/m、0. 01S/m、0. 05S/m、0.lS/m、0. 5S/m、lS/m、5S/m、10S/m、50S/m、lOOS/m、150S/ m、200S/m、250S/m、300S/m、350S/m、400S/m、450S/m、500S/m、lOOOS/m、5000S/m或l〇4s/m。 其中，基于石墨締和碳纳米管材料制备的负泊松比多功能海绵的电导率为0.001-lS/m; 基于纳米银线、纳米铜线和金属氧化物纳米颗粒制备的负泊松比多功能海绵的电导率为l-l〇4s/m。
[0013]优选地，所述负泊松比多功能海绵的水接触角为85-150。，例如可W是85。、 90。 、95。 、100。 、105。 、110。 、115。 、120。 、125。 、130。 、135。 、140。 、145。或