一种高抗压强度低密度材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高抗压强度低密度材料及其应用，属于复合材料领域。首先制备得到含硫氧化石墨，然后将含硫氧化石墨分散在水醇混合溶液中；然后再保护气体氛围下，向含硫氧化石墨分散液中加入二茂铁，控制反应温度为900‑1600℃，收集气化产物，得到碳纳米管气溶胶；最后将碳纳米管气溶胶与高分子材料混炼后得到。所述材料密度低且抗压强度高。所述材料经螺杆挤出设备挤出后得到高抗压强度低密度材料长丝，所述长丝作为3D打印材料使用。

【技术实现步骤摘要】
一种高抗压强度低密度材料及其应用
本专利技术涉及一种高抗压强度低密度材料及其应用，属于复合材料领域。
技术介绍
可持续发展是当今时代一项非常重要的举措，同时也是人类终将走向的未来。在环境问题日益严峻的今天，各行业都在想尽办法节能减排。这其中轻量化技术显得尤为重要，特别是在汽车、轮船、航空航天飞行器等等领域有举足轻重的影响，每一种轻型材料的发现都有可能推动一项行业变革。所谓的轻量化并不是为了一味降低重量而“不择手段”，它的意义是在保障性能(刚度、强度)的前提下，尽可能减少重量，而常见的合金材料的使用就是很好的例子。在便携式装备领域，如便携式海水淡化装备，因为对器形一体性要求比较高，材料均选用钛合金等轻型合金，密度一般在4.5g/cm3左右。但是由于金属熔点都比较高，成型方式多采用铸造技术，对于模具要求比较高，只适用于简单外形，当面对复杂器形往往无法兼顾外观和性能。碳纳米管，又名巴基管，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，直径为纳米级，长度从纳米级到微米级不等。文献[Koziol,K.etal.High-performancecarbonnanotubefiber.Science318,1892–1895(2007).]中碳源在催化剂和促进剂含硫化合物作用下催化裂解制备得到的碳纳米管强度高，密度小，气溶胶状态下最低密度可达到0.9g/cm3。文献[Adv.Mater.，2019，DOI:10.1002/adma.201900651]中通过简单的水热反应得到酚醛树脂纳米纤维气溶胶，接着通过碳化该气溶胶则可得到稳固的硬碳基纳米纤维气溶胶，密度约为1.3-1.4g/cm3，但是抗压强度仅为30KPa。将碳纳米管与高分子聚合物复合得到的碳纳米管/聚合物纳米复合材料作为材料领域的研究热点，受到了人们的广泛关注。作为轻质化材料使用时，碳纳米管/聚合物纳米复合材料的密度有待于进一步降低，强度有待于进一步提高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高抗压强度低密度材料及其应用。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种高抗压强度低密度材料，所述材料通过以下方法制备得到，所述方法步骤如下：(1)含硫氧化石墨分散液的制备控制反应釜内温度为零下30℃-零下10℃，将质量分数为98％的浓硫酸70-90份加入反应釜中，搅拌下依次加入鳞片石墨1份、双氧水10-30份、高锰酸钾1份，反应1-2h，得到含硫氧化石墨；室温下，将所述含硫氧化石墨加入到水和醇类的混合溶液中，搅拌分散均匀得到含硫氧化石墨分散液；其中，水和醇类的混合溶液中水的体积分数为5-30％；含硫氧化石墨分散液中含硫氧化石墨的质量分数为0.01-1％；优选的，步骤(1)中所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种以上。优选的，步骤(1)中所述水和醇类的混合溶液中水的体积分数为20％-30％。优选的，步骤(1)中所述含硫氧化石墨分散液中含硫氧化石墨的质量分数为0.5％-1％。(2)碳纳米管气溶胶的制备保护气体氛围下，向100份所述含硫氧化石墨分散液中加入3-5份二茂铁，控制反应温度为900-1600℃，收集气化产物，得到碳纳米管气溶胶，所述碳纳米管气溶胶的密度为0.8-0.9g/cm3；优选的，步骤(2)中反应温度为1100-1300℃。优选的，步骤(2)中所述保护气体为氮气或惰性气体。(3)碳纳米管气溶胶与高分子材料聚合将所述碳纳米管气溶胶与高分子材料粉末进行混炼，得到一种高抗压强度低密度材料；其中，所述高分子材料粉末的粒径为10-2000目；碳纳米管气溶胶占碳纳米管气溶胶与高分子材料总体积的1-20％，混炼温度根据高分子材料的熔融点选择，如何选择为本领域公知常识。优选的，所述高分子材料为聚苯乙烯(PS)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚苯硫醚砜(PPSF)、聚亚苯基砜(PPSU)或聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)。优选的，步骤(3)所述高分子材料粉末的粒径为100-300目。优选的，步骤(3)中所述碳纳米管气溶胶占碳纳米管气溶胶与高分子材料总体积的8-10％。一种高抗压强度低密度材料的应用，将所述高抗压强度低密度材料经螺杆挤出设备挤出后得到高抗压强度低密度材料长丝，所述长丝作为3D打印材料使用。有益效果本专利技术首先通过控制反应物用量及反应条件制备得到含硫氧化石墨，其次将含硫氧化石墨分散在水醇混合溶液中，得到的含硫氧化石墨分散液在高温下分解为含碳化合物、含硫化合物及少量的水蒸气及氢气，替代了传统方法中的碳源和促进剂，并且在催化剂的作用下制备出低密度，取向性较为一致的碳纳米管气溶胶。所述碳纳米管气溶胶与高分子复合之后，获得了高抗压强度低密度长丝，密度为0.9-1.2g/cm3，抗压强度为80-400MPa。附图说明图1为实施例1中制备得到的碳纳米管气溶胶的透射电子显微镜(TEM)图；图2为实施例1中制备得到的高抗压强度低密度材料长丝的扫描电子显微镜(SEM)图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1控制反应釜内温度零下30℃，将质量分数为98％的浓硫酸90份加入反应釜中，搅拌下依次加入鳞片石墨1份、双氧水10份、高锰酸钾1份，反应2h，得到含硫氧化石墨；室温下，将所述含硫氧化石墨加入到水和乙醇的混合溶液中，搅拌分散均匀得到含硫氧化石墨分散液；其中，水和乙醇的混合溶液中水的体积分数为20％；保护气体氛围下，向100份所述含硫氧化石墨分散液中加入3份二茂铁，控制反应温度为1200℃，收集气化产物，得到碳纳米管气溶胶；所述气溶胶的密度为0.83g/cm3；所述碳纳米管气溶胶的TEM结果如图1所示，所述碳纳米管气溶胶取向性较为一致，有助于提高复合材料强度。将所述碳纳米管气溶胶与PA6粉末进行混炼，得到一种高抗压强度低密度材料；其中，所述PA6粉末的粒径为300目。碳纳米管气溶胶占碳纳米管气溶胶与PA6总体积的8％，混炼温度260℃。将所述高抗压强度低密度材料经双螺杆挤出设备挤出，其中挤出温度与混炼温度相同，得到一种高抗压强度低密度材料长丝，其SEM测试结果如图2所示。所述长丝密度为1.11g/cm3，直径为1.5-2mm，抗压强度(测试标准GB/T1041-2008)为80MPa。将所述长丝作为3D打印原材料进行材料成型：选用熔融沉积制造(FDM)工艺，设置温度为235℃，打印得到圆柱体工件，Φ58mm，长度235mm；所述工件抗压强度为80MPa，强度满足10-15MPa的初始要求；所述工件与同规格尺寸的钛合金工件相比，整体减重75％。实施例2控制反应釜内温度零下20℃，将质量分数为98％的浓硫酸70份加入反应釜中，搅拌下依次加入鳞片石墨1份、双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高抗压强度低密度材料，其特征在于：所述材料通过以下方法制备得到，所述方法步骤如下：/n(1)含硫氧化石墨分散液的制备/n控制反应釜内温度为零下30℃-零下10℃，将质量分数为98％的浓硫酸70-90份加入反应釜中，搅拌下依次加入鳞片石墨1份、双氧水10-30份、高锰酸钾1份，反应1-2h，得到含硫氧化石墨；室温下，将所述含硫氧化石墨加入到水和醇类的混合溶液中，搅拌分散均匀得到含硫氧化石墨分散液；其中，水和醇类的混合溶液中水的体积分数为5-30％；含硫氧化石墨分散液中含硫氧化石墨的质量分数为0.01-1％；/n(2)碳纳米管气溶胶的制备/n保护气体氛围下，向100份所述含硫氧化石墨分散液中加入3-5份二茂铁，控制反应温度为900-1600℃，收集气化产物，得到碳纳米管气溶胶，所述碳纳米管气溶胶的密度为0.8-0.9g/cm

【技术特征摘要】
1.一种高抗压强度低密度材料，其特征在于：所述材料通过以下方法制备得到，所述方法步骤如下：
(1)含硫氧化石墨分散液的制备
控制反应釜内温度为零下30℃-零下10℃，将质量分数为98％的浓硫酸70-90份加入反应釜中，搅拌下依次加入鳞片石墨1份、双氧水10-30份、高锰酸钾1份，反应1-2h，得到含硫氧化石墨；室温下，将所述含硫氧化石墨加入到水和醇类的混合溶液中，搅拌分散均匀得到含硫氧化石墨分散液；其中，水和醇类的混合溶液中水的体积分数为5-30％；含硫氧化石墨分散液中含硫氧化石墨的质量分数为0.01-1％；
(2)碳纳米管气溶胶的制备
保护气体氛围下，向100份所述含硫氧化石墨分散液中加入3-5份二茂铁，控制反应温度为900-1600℃，收集气化产物，得到碳纳米管气溶胶，所述碳纳米管气溶胶的密度为0.8-0.9g/cm3；
(3)碳纳米管气溶胶与高分子材料聚合
将所述碳纳米管气溶胶与高分子材料粉末进行混炼，得到一种高抗压强度低密度材料；其中，所述高分子材料粉末的粒径为10-2000目；碳纳米管气溶胶占碳纳米管气溶胶与高分子材料总体积的1-20％。


2.如权利要求1所述的一种高抗压强度低密度材料，其特征在于：步骤(1)中所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种以上。


3.如权利要求1所述的一种高抗压强度低密度材料，其特征在于：步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：武桐，张广德，刘士中，
申请(专利权)人：上海申蓝装备技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31