纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法技术

纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，属于高分子材料技术领域。该制备方法为在聚合物与纳米粒子通过熔融共混得到的聚合物纳米复合材料进行发泡过程中通过施加外力使该材料中泡孔沿单轴方向取向生长，在外力和泡孔生长双重诱导聚合物流动实现纳米粒子的高度取向，得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料。本方法具有操作简便，条件温和，所制备的聚合物纳米复合材料中纳米粒子取向度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法
本专利技术属于高分子材料
，具体涉及纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
多年来，聚合物/无机纳米复合材料一直受到工业界和学术界的广泛关注。这类有纳米粒子和聚合物基体组成的复合材料与纯聚合物和传统复合材料相比具有更高的机械物理性能，同时具有功能性，在许多领域存在广泛的用途。在聚合物/无机纳米复合材料中，纳米粒子的分散与分布对材料的性能起到了决定性作用，许多研究表明，纳米粒子的取向排列能够使聚合物纳米复合材料具有更佳的物理机械性能。例如，Padsiadlo等采用层层自组装的方法制备了粘土片层有序“堆砌”的聚乙烯醇（PVA）/粘土纳米复合薄膜材料，具有高强度、高韧性及高透明度等优点，虽然该复合材料薄膜的模量仍低于理论计算值，但远远高于常规方法制备的粘土无规分散的纳米复合材料的模量，充分证明了无机纳米粒子的有序排列对材料性能的影响，这一研究成果发表在科学（Science）杂志上。除机械性能外，当功能性纳米粒子如碳纳米管、石墨烯等在聚合物基体中按特定取向排列时，纳米复合材料的光、电、磁等功能性呈现高度的各项异性，能够充分发挥纳米粒子的功能性。例如，当碳纳米管在聚合物基体中实现有序排列时，复合材料的沿碳管取向方向的渗透阈值大大降低。由此可见，实现纳米粒子在聚合物基体中有序取向排列是制备高性能纳米复合材料的关键。目前，实现纳米粒子有序排列的方法主要包括：1）层层自主装法，即利用纳米粒子和聚合物之间的相互作用（如静电吸附）实现纳米粒子堆砌取向；2）压力诱导流动，即在一定的温度下，对复合材料施加高压，复合材料在高压下沿轴向的流动导致纳米粒子沿流动方向取向，例如，余木火等采用压力诱导流动法制备了蒙脱土片层高度取向聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料（Yu,Muhuo.etal.TheThermalandMechanicalPropertiesofUltra-HighMolecularWeightPolyethylene/Montmorillonite（UHMWPE/MMT）NanocompositesHybridGelUsingPressure-InducedFlow（PIF）Processing.东华大学学报（英文版）,2011,；3）拉伸诱导粒子取向，该方法主要用于制备薄膜或纤维材料，通过高速拉伸实现纳米粒子沿拉伸方向的高度取向；3）外加电场或磁场，该法主要针对具有电荷或磁性的纳米粒子，如碳纳米管、石墨烯、Fe3O4纳米粒子等，通过电场或磁场实现纳米粒子的取向；上述方法均能有效地实现纳米粒子在聚合物基体中的取向排列，但也存在着各自的缺点，如层层自组装的方法操作复杂，周期长，同时只能制备厚度很小的薄膜材料；压力诱导流动要施加很大的压力（几十到几百兆帕）才能实现纳米粒子的取向排列；拉伸诱导仅限于制备薄膜和纤维材料，材料种类有局限性；外加磁场或电场要实现纳米粒子在聚合物熔体中的排列，需要达到很高的场强度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于设计提供纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法的技术方案，该方法克服了现有技术中压力诱导流动法的缺点，能够在更加温和条件下实现纳米粒子的高度有序取向排列，有效提高了纳米复合材料力学、阻隔、导电、介电等性能。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于聚合物与纳米粒子通过熔融共混得到的聚合物纳米复合材料进行发泡过程中通过施加外力使该材料中泡孔沿单轴方向取向生长，在外力和泡孔生长双重诱导聚合物流动实现纳米粒子的高度取向，得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚己内酯或聚甲基丙烯酸甲酯，优选为聚苯乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯；所述的纳米粒子为蒙脱土、碳纳米管、水滑石、石墨烯或纳米碳粉，优选为碳纳米管、石墨烯、蒙脱土或水滑石。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述发泡过程在具有上模和下模的模腔中进行，通过模腔压力的控制给予聚合物纳米复合材料外力。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于具体包括以下工艺步骤：1）将聚合物与纳米粒子在180～220oC下熔融共混制备得到聚合物纳米复合材料，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚己内酯或聚甲基丙烯酸甲酯，优选为聚苯乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯；所述的纳米粒子为蒙脱土、碳纳米管、水滑石、石墨烯或纳米碳粉，优选为碳纳米管、石墨烯、蒙脱土或水滑石；2）聚合物纳米复合材料经压制、注塑或挤出得到样片材料；3）将样片材料放入高压釜中，通过发泡剂气体吹扫后在高压釜中注入具有压力的发泡剂，控制压力在8～30Mpa，在常温下密封饱和2～24小时，迅速泄压至大气压；4）将样品迅速取出放置到80～180oC的模腔中，样品放入模腔后，在10～120s内将模腔压力上升到3～50MPa，保持压力稳定1～5min，最后脱模得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤1）中纳米粒子含量为0～60%，其中0代表无限接近于0但不为0，优选为1～20%。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤3）中发泡剂为二氧化碳、氮气、丁烷、氟利昂或含氢氯氟利昂。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤3）中样片在高压釜中进行发泡剂溶胀过程是在压力15～25Mpa下饱和5～15小时。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤4）中模腔具有上模和下模。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤4）中模腔温度为100～150oC。所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤4）中样品放入模腔后，在50～80s内将模腔压力上升到15～30MPa，保持压力稳定2～3min。本专利技术的优点在于：1）本专利技术所实施的方法是在聚合物发泡过程中施加外力，使泡孔按轴向方向生长，在生长过程中实现流动导致纳米粒子排列取向，同时所施加的外力也能促使纳米粒子沿流动方向取向，该双重诱导流动过程能让纳米粒子获得更高的取向度。2）本专利技术中所采用的发泡剂在聚合物中起到塑化剂作用，能够降低聚合物流动粘度，同时，发泡剂造成的泡孔生长过程也促进了聚合物的流动，因此，相比传统的压力诱导流动法，本专利技术方法能够在比较温和的条件（如温度和压力）下和较短的时间即实现纳米粒子的高度取向过程。3）通过调控发泡温度、外部施加的压力等及能够制备密实的本体聚合物/无机纳米复合材料，同时能够制备具有微孔聚合物纳米复合材料，拓展纳米复合材料的应用范围。4）本专利技术所制备的纳米粒子高度取向的本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于聚合物与纳米粒子通过熔融共混得到的聚合物纳米复合材料进行发泡过程中通过施加外力使该材料中泡孔沿单轴方向取向生长，在外力和泡孔生长双重诱导聚合物流动实现纳米粒子的高度取向，得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于聚合物与纳米粒子通过熔融共混得到的聚合物纳米复合材料进行发泡过程中通过施加外力使该材料中泡孔沿单轴方向取向生长，在外力和泡孔生长双重诱导聚合物流动实现纳米粒子的高度取向，得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料；具体包括以下工艺步骤：1）将聚合物与纳米粒子在180～220oC下熔融共混制备得到聚合物纳米复合材料，所述聚合物为聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚己内酯或聚甲基丙烯酸甲酯；所述的纳米粒子为蒙脱土、水滑石、石墨烯或纳米碳粉；2）聚合物纳米复合材料经压制、注塑或挤出得到样片材料；3）将样片材料放入高压釜中，通过发泡剂气体吹扫后在高压釜中注入具有压力的发泡剂，控制压力在8～30Mpa，在常温下密封饱和2～24小时，迅速泄压至大气压；4）将样品迅速取出放置到80～180oC的模腔中，样品放入模腔后，在10～120s内将模腔压力上升到3～50MPa，保持压力稳定1～5min，最后脱模得到纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物纳米复合材料。2.如权利要求1所述的纳米粒子在聚合物基体中高度取向的聚合物基纳米复合材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晋涛，何志才，陈枫，范萍，钟明强，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33