本发明属于生物质材料技术领域，具体涉及一种无毒无害高强度高弹性半纤维素泡沫复合材料及其制备方法。
背景技术：
泡沫是一种人造的、低密度、高度多孔的材料。与大体积同类产品相比，它们具有一些优越的物理性能，例如大比表面积、高冲击能量吸收性和出色的强度重量比。根据其特性，泡沫可用于吸收性材料、包装应用和软组织工程。
由于越来越突出的环境问题，以及木聚糖在下游产品中容易获得，木聚糖越来越受到研究者的注意。此外，木聚糖来源广泛、储量丰富，而且具有可再生性、可调功能性和生物相容性，使得木聚糖在生物质精练和生物材料方面有广泛的应用潜力。研究者们正在积极研究，以使得木聚糖糖天然生物质材料可以逐渐替代石油基产品。
目前已报道的半纤维素泡沫复合材料的机械强度和循环恢复性都比较差，在许多方面的应用具有较大的限制。此外，已报道的泡沫复合材料所使用的交联剂大多数是硼酸、戊二醛、甲醛等有毒的试剂，对人体有一定的危害，对于其应用也有极大的限制。目前以半纤维素作为基底材料来制备得到高机械强度以及高弹性的泡沫复合材料尚未见报道。
技术实现要素：
本发明针对当前半纤维素泡沫复合材料在机械性能和回弹性方面的欠缺以及考虑环保问题，提供一种无毒无害高机械强度高弹性半纤维素泡沫复合材料及其制备方法。本发明制备的半纤维素泡沫复合材料具有很好的机械性能和弹性，以及对人体无毒无害，在抗震抗压材料、弹性响应材料、软组织工程材料和生物医用材料等方面有较大的应用潜力。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明通过三偏磷酸钠的交联制备得到一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
本发明提供的一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将半纤维素和交联剂加入去离子水中，在搅拌的状态下进行加热溶解处理，得到混合溶液；
（2）将聚乙烯醇加入水中，在搅拌状态下进行加热溶解处理，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）所述混合溶液与步骤（2）所述聚乙烯醇溶液混合，进行搅拌处理，得到交联产物，将所述交联产物倒入模具中，在室温下冷却成型后，得到泡沫状材料，洗涤，干燥，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
进一步地，步骤（1）所述半纤维素为木聚糖，交联剂为三偏磷酸钠；所述交联剂与半纤维素的质量比为10：1-7。
进一步地，步骤（1）所述加热溶解处理的温度为70-90℃，加热溶解处理的时间为3-5h。
进一步地，在步骤（1）所述混合溶液中，半纤维素的浓度为1-7wt%。
进一步地，步骤（1）所述半纤维素与步骤（2）所述聚乙烯醇的质量比为1-7：5。
进一步地，步骤（2）所述加热溶解处理的温度为70-90℃，加热溶解处理的时间为1-2h。
进一步地，步骤（2）所述聚乙烯醇溶液的浓度为10-20wt%。
进一步地，步骤（3）所述搅拌处理的转速为500-700r/min，搅拌处理的时间为30-50s。
进一步地，步骤（3）所述洗涤为用去离子水清洗泡沫状材料的表面3-5次；所述干燥为在室温条件下自然干燥3-5天。
本发明提供一种由上述的制备方法制得的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
本发明以自然界中含量丰富的木聚糖半纤维素以及具有较高生物相容性的聚乙烯醇为基底，以无毒无害的三偏磷酸钠为交联剂，木聚糖半纤维素混合聚乙烯醇与三偏磷酸钠交联制备得到半纤维素泡沫复合材料，具有卓越的机械性能以及高弹性。这对于研究泡沫材料应用于软组织工程以及利用生物质材料逐步补充和替代石油等不可再生资源都具有重要的意义。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明提供的制备方法具有反应条件容易控制、操作简单等特点；
（2）本发明提供的制备方法，采用具有可再生、环保、无毒、突出的生物相容性以及可调功能性等特性的木聚糖半纤维素和具有较高生物相容性的聚乙烯醇为原料，以无毒无害的三偏磷酸钠为交联剂，这些均有利于环境保护以及发展生物质的应用；
（3）本发明制备的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料无毒无害，因此在与人体健康相关的材料方面，例如组织工程材料、生物医用材料等有较大的应用潜力；该泡沫复合材料具有卓越的机械性能，接近于人体软骨的机械性能要求，而且该泡沫复合材料具有高弹性，在多次的压缩测试后仍然可恢复至接近最初高度；因此，该泡沫材料在抗震抗压材料、弹性响应材料等方面具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将1.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于90℃搅拌溶解3h，得到木聚糖半纤维素浓度为1wt%的混合溶液；
（2）将5.0g聚乙烯醇加入20g去离子水中，于90℃搅拌溶解1h，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合，搅拌50s，搅拌速率为500r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤所述泡沫复合材料表面5次，于室温下干燥5天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例1制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为4.59mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为96.54%。
实施例2
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（1）将2.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于80℃搅拌溶解4h，得到木聚糖半纤维素浓度为2wt%的混合溶液；
（2）将5.0g聚乙烯醇加入28.5g去离子水中，于80℃搅拌溶解1.5h，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌40s，搅拌速率为600r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤泡沫复合材料表面4次，于室温下干燥4天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例2制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为5.76mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为96.32%。
实施例3
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（1）将3.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于70℃搅拌溶解5h，得到木聚糖半纤维素浓度为3wt%的混合溶液；
（2）将5.0g聚乙烯醇加入45g去离子水中，于70℃搅拌溶解2h，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌30s，搅拌速率为700r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤所述泡沫复合材料表面3次，于室温下干燥3天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例3制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为6.92mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为97.44%。
实施例4
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（1）将4.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于90℃搅拌溶解5h，得到木聚糖半纤维素浓度为4wt%的混合溶液；
（2）将5.0g聚乙烯醇加入20g去离子水中，于90℃搅拌溶解2h，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌50s，搅拌速率为700r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤所述泡沫复合材料表面5次，于室温下干燥5天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例1制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为7.72mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为97.89%。
实施例5
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（1）将5.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于90℃搅拌溶解5h，得到木聚糖半纤维素浓度为5wt%的混合溶液；
（2）将5.0g聚乙烯醇加入20g去离子水中，于90℃搅拌溶解2h，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌50s，搅拌速率为700r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤所述泡沫复合材料表面5次，于室温下干燥5天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例5制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为10.61mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为98.57%。
实施例6
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（4）将6.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于90℃搅拌溶解5h，得到木聚糖半纤维素浓度为6wt%的混合溶液；
（5）将5.0g聚乙烯醇加入20g去离子水中，于90℃搅拌溶解2h，得到聚乙烯醇溶液；
（6）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌50s，搅拌速率为700r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤所述泡沫复合材料表面5次，于室温下干燥5天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例6制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为10.24mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为99.21%。
实施例7
一种无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料的制备，包括以下步骤：
（7）将7.0g木聚糖半纤维素、10g三偏磷酸钠加入去离子水中，于90℃搅拌溶解3h，得到木聚糖半纤维素浓度为7wt%的混合溶液；
（8）将5.0g聚乙烯醇加入20g去离子水中，于90℃搅拌溶解2h，得到聚乙烯醇溶液；
（9）将步骤（1）混合溶液与步骤（2）聚乙烯醇溶液混合搅拌50s，搅拌速率为700r/min，将得到交联产物倒入模具，冷却成型后，得到泡沫复合材料，使用去离子水洗涤泡沫复合材料表面5次，于室温下干燥5天后，得到所述无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料。
将得到的无毒无害高机械强度高弹性的半纤维素泡沫复合材料在37℃去离子水中浸泡24h，使用拉伸压缩材料试验机instron5565进行循环压缩，压缩速率为1.5mm/min，压缩应变为70%。另外在压缩应变为30%的条件下进行1000次循环压缩。
经检测，实施例7制备的半纤维素泡沫复合材料的压缩应力为7.68mpa，1000次压缩循环后的高度恢复为98.52%。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。