一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术方法涉及一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，其先将石墨烯在熔融聚酰胺单体中预分散；再在预分散的石墨烯/聚酰胺单体混合熔液中加入催化剂、活化剂和其他助剂，最后采用原位阴离子开环聚合工艺浇铸制备成尼龙/石墨烯纳米复合材料。本发明专利技术将石墨烯在熔融聚酰胺单体中采用诸如超声粉碎机进行预分散，使纯石墨烯在聚合物基体中达到很好的分散，从而保留了石墨烯本身所具备的各种优异性能，达到改性后的聚酰胺复合材料的强度、模量和热学性能均得到显著的提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术方法涉及高分子
，具体涉及一种高性能的浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料，纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，因其具有非凡的力学性能、优异的导电性和导热性、阻隔性能、高的比表面积以及独特的二维结构等，非常适合于构筑高性能聚合物基纳米复合材料，也是聚合物理想的纳米填料，常被用作复合材料中的增强相和功能相。尼龙是用量最大的工程塑料，具有机械强度高、耐磨和抗疲劳性好等优点，同时，也存在模量低和易吸水等缺点。当石墨烯作为尼龙的增强相时，可以借助石墨烯的优异特性来改善尼龙相关性能，如结晶性能、热稳定性、导电、导热和力学性能等，以拓展其应用范围，因而石墨烯/尼龙复合材料的研究成为目前聚合物基纳米复合材料的热点课题之一。中国专利CN103215689A，一种石墨烯改性尼龙6纤维的制备方法，是将石墨烯进行羧基化﹑酰氯化处理后，再经二元胺处理得到表面带有活性氨基的氧化石墨烯；利用氨基化的石墨烯与己内酰胺通过引发剂6-氨基己酸进行聚合反应，制备石墨烯改性的尼龙6熔体，采用熔融纺丝工艺，经纺丝、拉伸，得到石墨烯改性的尼龙6纤维。Zhang等采用原位聚合的方法制备出氧化石墨烯（GO）/尼龙6复合材料，具体是将尼龙6接枝到氧化石墨烯的表面，制备PA6-g-GO纳米复合材料，结果表明所制得的复合材料在拉伸强度和模量等性能方面有一定的提高[Facilepreparationrouteforgrapheneoxidereinforcedpolyamide6compositesviainsituanionicring-openingpolymerization.J.Mater.Chem.,2012,22:24081~24091]。Xu等也采用原位聚合的方法制备出氧化石墨烯增强尼龙6纳米复合材料，先制备氧化石墨烯，然后将尼龙6接枝到氧化石墨烯的表面，制得纳米复合材料，在强度和模量等性能方面也均有提高[InsituPolymerizationApproachtoGraphene-ReinforcedNylon-6Composites.Macromolecules.2010,43：6716~6723]。上述尼龙/石墨烯复合材料的制备，都采用的是氧化石墨烯（GO）或其他改性石墨烯，而不是纯的石墨烯。实际上，当石墨烯被氧化或其他改性后，其在物理性质上会有显著的改变，改性的石墨烯在力学和热学等性能方面与纯石墨烯的有很大差距，用改性的石墨烯对聚合物进行改性肯定不如用纯石墨烯对聚合物改性的效果好。当然，纯石墨烯由于其自身的低表面活性，使得其较难在聚合物基体中达到好的分散，因此，纯石墨烯在聚合物基体中的有效分散决定了石墨烯/聚合物纳米复合材料整体性能的增强程度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，在达到纯石墨烯有效分散的情况下通过阴离子开环聚合的方法制备出浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）将石墨烯在熔融聚酰胺单体中进行预分散，所述石墨烯质量占聚酰胺单体质量的0.001~30%；（2）在预分散的石墨烯/聚酰胺单体混合熔液中加入催化剂、活化剂和其他助剂，然后采用原位阴离子开环聚合工艺浇铸制备出石墨烯/聚酰胺复合材料。进一步，所述聚酰胺是指分子链中含有酰胺键，重均分子量在5000~1000000的一种内酰胺的聚合物或至少两种内酰胺的共聚物。更进一步，所述内酰胺是指环状酰胺或环状酰胺衍生物中的至少一种。更优的，所述环状酰胺或环状酰胺衍生物为戊内酰胺、己内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、壬内酰胺、癸内酰胺、十一内酰胺、十二内酰胺或戊二酰亚胺或己二酰亚胺，优选己内酰胺、十二内酰胺、戊二酰亚胺或己二酰亚胺。进一步，所述石墨烯是指粉体或浆料的单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯（3~10层）、多层石墨烯或石墨烯纳米片。所述步骤（1）中预分散是指采用机械进行分散5~60分钟；步骤（2）中混合熔液先升温至140~180℃，加入催化剂、活化剂和其他助剂后，进行抽真空与除水处理，所述的抽真空和除水时间为20~60分钟；所述阴离子开环聚合工艺浇铸制备时间为10~60分钟，浇铸的模温为160~200℃。所述催化剂为碱土金属、氢氧化钠、己内酰胺纳、碳酸钠、氢化锂或氢氧化钾中的至少一种，其用量是聚酰胺单体重量的0.01~10%。所述活化剂选自N-乙酰基己内酰胺、N-苯甲酰己内酰胺、2,4-甲苯二异氰酸酯（TDI）和2苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）等异氰酸酯类中的至少一种，其用量是聚酰胺单体重量的0.05~10%。所述其他助剂选自抗氧剂、阻燃剂、光稳定剂中的至少一种，其用量是聚酰胺单体重量的0~3%。本专利技术的另一目的是提供一种通过上述制备方法制备的浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料。有关原位阴离子开环聚合工艺请参见[AndongLiu,TingxiuXie,GuishengYang.SynthesisofExfoliatedMonomerCastingPolyamide6/Nat-MontmorilloniteNanocompositesbyAnionicRingOpeningPolymerization.Macromol.Chem.Phys.2006,207,702.]和[YingGong,AndongLiu,GuishengYang.Polyamidesinglepolymercompositespreparedviainsituanionicpolymerizationofe-caprolactam.Composites:PartA41(2010)1007.]等文献。本专利技术方法的有益效果有：1、本专利技术采用原位阴离子开环聚合工艺浇铸制备出石墨烯/聚酰胺复合材料，其比采用熔融聚合、反应挤出等聚合工艺，更有利于石墨烯在聚合物基体中的分散。2、本专利技术将石墨烯在熔融聚酰胺单体中采用诸如超声粉碎机进行预分散，使纯石墨烯在聚合物基体中达到很好的分散（分散的效果见图1所示），从而克服了纯石墨烯由于表面活性低而较难在聚合物基体中分散的难题；另外，相对于通过对石墨烯进行改性后再制备聚合物/石墨烯复合材料来说，步骤要简单的多，而且更适合工业化生产。3、由于采用的是纯石墨烯，保留了石墨烯本身所具备的各种优异性能，如力学、热学等性能，因而在对聚合物复合材料相关性能的改善方面，比用改性后的石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将石墨烯在熔融聚酰胺单体中进行预分散，所述石墨烯质量占聚酰胺单体质量的0.001~30%；（2）在预分散的石墨烯/聚酰胺单体混合熔液中加入催化剂、活化剂和其他助剂，然后采用原位阴离子开环聚合工艺浇铸制备出石墨烯/聚酰胺复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种浇铸尼龙/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将石墨烯在熔融聚酰胺单体中进行预分散，所述石墨烯质量占聚酰胺单体质量的0.001~30%；
（2）在预分散的石墨烯/聚酰胺单体混合熔液中加入催化剂、活化剂和其他助剂，然后采用原位阴离子开环聚合工艺浇铸制备出石墨烯/聚酰胺复合材料。
2.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：所述的聚酰胺是指分子链中含有酰胺键、重均分子量在5000~1000000的一种内酰胺的聚合物或至少两种内酰胺的共聚物。
3.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：所述内酰胺是指环状酰胺或环状酰胺衍生物中的至少一种。
4.根据权利3所述的制备方法，其特征在于：所述环状酰胺或环状酰胺衍生物为戊内酰胺、己内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、壬内酰胺、癸内酰胺、十一内酰胺、十二内酰胺、戊二酰亚胺或己二酰亚胺。
5.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：所述的石墨烯是指粉体或浆料的单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯（3~10层）、多层石墨烯或石墨烯纳米片。
6....

【专利技术属性】
技术研发人员：付绪兵，杨桂生，
申请(专利权)人：合肥杰事杰新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34