一种有机-无机杂化复合材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种有机-无机杂化复合材料制备方法，将无机纳米材料与粘度相对较低的高分子材料共混后加入一台熔融塑化供料装置，将高分子基体材料加入另一台熔融塑化供料装置；汇流器将来自两个塑化供料装置的两层熔体叠合成一层；复合熔体经过K个层叠器后，每个层叠器有m个分隔与叠加流道，得到2×mk层的多层结构复合材料。本发明专利技术可广泛应用于制备有机-无机杂化复合材料，材料来源广泛、工艺简单，而且无机纳米材料在复合材料中获得良好的可控取向和均匀分散，可以制备出具有导电性或具有气密性的有机-无机杂化复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料成型加工领域，更具体地说，是涉及一种有机-无机杂化复合材料加工制备的方法。
技术介绍
有机-无机杂化复合材料是20世纪80年代中期以来迅速发展的一种新型复合材料，有机-无机杂化复合材料是有机相和无机相在纳米甚至分子水平上结合形成的一种复合材料。有机-无机杂化复合材料既具有高分子材料柔韧性、易加工、柔软性等优点，又具有无机材料的高硬度、耐溶剂、高模量等机械性能及优良的导电、阻隔等性能。因此有机-无机杂化复合材料在制备复合型导电高分子材料和高性能气体阻隔材料等方面有着广阔的应用前景，成为近年来高分子物理和材料科学领域的研究热点。有机-无机杂化复合材料现有的制备方法有溶胶-凝胶法、插层法、共混法、LB膜法、分子沉淀法、自组装法等方法。由于无机相的化学活性较高，分散过程中有机或无机相容易聚集，相分离现象严重。通过现有制备方法生产的有机-无机杂化复合材料中无机相分布不均勻、易发生团聚，无机纳米材料取向分布的随机性，使得有机-无机杂化复合材料还远没有达到所期望的性能指标。因此，要想获得性能优异的有机-无机杂化复合材料，还需要寻求更加有效的复合材料制备方法，以克服上述不足。
技术实现思路
针对现有技术在制备有机-无机杂化复合材料方面的不足，本专利技术旨在提供一种结构简单、无机纳米材料可控取向的有机-无机杂化复合材料制备方法。实现上述目的的制备有机-无机杂化复合材料的方法是将无机纳米材料与粘度相对较低的高分子材料共混后加入一台熔融塑化供料装置，将高分子基体材料加入另一台熔融塑化供料装置；汇流器将来自两个塑化供料装置的两层熔体叠合成一层，叠合后的复合熔体中两层熔体厚度可以相同也可以不同，各层的厚度靠调节塑化供料装置转速以及汇流器中各层流道的间隙来控制；汇流器出口与层叠器入口对接，复合熔体在离开汇流器进入层叠器的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中无机纳米材料沿流动方向取向，取向后叠加形成各层沿流动平面的展开与取向。分支熔体在出口端汇流成为2Xm层的出口熔体，层叠器入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；如果串联k个同样的层叠器，则可得到2 Xmk层的多层结构复合材料，最后一个层叠器的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型装置得到层状复合材料，其中的m为不小于二的整数，k为不小于一的整数。在经历多次展宽减薄的流变过程之后，交替层状分布的结构使得无机纳米材料获得均勻的分散状态，同时层叠单元中的微层拖曳流场也使得无机纳米材料沿流动平面取向实现了可控取向。本专利技术采用熔体分割后扭转90度同时展宽的流道特点，各层之间熔体流道相同， 层间对称性好，展宽可从中间向外进行，熔体流动均勻，而且设计制造工艺简单，精度容易保证，并且对物料的适应性大大提高，在这个过程中，同时实现纳米粒子的分散和可控取向。本专利技术，得到的复合材料由无机纳米材料、高分子材料的混合层与高分子基体材料层交替层叠而成，其中无机纳米材料可以是碳纤维、碳纳米管、蒙脱土、石墨烯等。本专利技术可广泛应用于制备有机-无机杂化复合材料，材料来源广泛、工艺简单，而且无机纳米材料在复合材料中获得良好的可控取向和均勻分散，可以制备出性能优异的有机-无机杂化复合材料。附图说明图1是本专利技术一种有机-无机杂化复合材料截面形貌结构示意图。图2是本专利技术一种有机-无机杂化复合材料制备装置(挤出成型)示意图。图3是本专利技术一种有机-无机杂化复合材料叠层复合原理示意图。图中1-1无机纳米材料与高分子材料混合层，1-2高分子基体材料层，1塑化供料装置，2汇流器，3层叠器，4成型模头，3-1入口熔体，3-2分支熔体，3-3出口熔体。具体实施例方式下面，将基于本专利技术的实例进行具体说明，但本专利技术并非只限定于此实施例。实施例1本专利技术一种有机-无机杂化复合材料，无机纳米材料可为碳纤维、碳纳米管等导电填料，高分子基体材料为PE，通过层叠器后，由于碳纤维、碳纳米管等线性结构，实现高分子基体中无机纳米材料的可控取向，大幅度地降低其导电逾渗值，在基体中形成导电网络， 从而制备出具有导电功能的高分子材料，应用于煤矿开采、石油天然气运输、电子电器包装、纺织等领域。无机纳米材料与高分子材料混合层1-1选择为碳纤维或碳纳米管与PA6的混合物，由于PA6为极性材料，HDPE为非极性材料，两种材料间相容性差，需要在PE中添加相容剂马来酸酐得到接枝高密度聚乙烯(MAH-g-HDPE)，在界面发生化学反应，从而使得无机纳米材料与高分子材料混合层1-1与高分子基体材料层HDPE 1-2有较好的粘结性。本专利技术一种有机-无机杂化复合材料的制备方法是将无机导电材料混合料与 HDPE分别装入两台熔融塑化供料装置1，塑化供料装置1为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机， 汇流器2将来自两个塑化供料装置1的两层熔体叠合成一层。汇流器2与层叠器3对接， 复合熔体在离开汇流器3进入层叠器3的入口熔体3-1沿宽度方向平均分割成4等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°并且展宽4倍，厚度减薄到1/4倍，成为分支熔体3-2，在出口端相互汇流成为2X4层的出口熔体3-3，层叠器入口熔体3-1通道尺寸与旋转90°的出口熔体3-3通道尺寸相同；叠层结构的熔体在离开层叠器3时不分割，这样 k个层叠器3对接后与成型装置连接后得到制品，得到2X4k层的熔体。在展宽和变薄再层叠的过程中，碳纳米管、碳纤维得到取向，层叠原理见图3所示，因而获到的层状复合材料具有优异的导电性能。成型装置4的熔体入口与层叠器3的熔体出口形状相同，熔体在成型装置4中逐渐过渡到口模需要的截面尺寸，最后获得挤出制品。通过成型口模的制品可直接生产板材， 也可通过增设辅机来生产薄膜、型材。该类制品导电层分多层排布于高分子材料层之间，垂直于熔体流动方向和沿着流体流动平面方向导电性不同，例如管材，沿壁厚方向不导电，而沿管材轴线方向导电，在矿井及输油管道应用等场合，管材表面划伤不影响其导电性。实施例2本专利技术一种有机-无机杂化复合材料，无机纳米材料可为蒙脱土(MMT)、水滑石或石墨烯等片状纳米材料，高分子基体材料为成本较低的天然橡胶，通过叠层装置后，片层结构的无机纳米材料在高分子链团中处于可控取向，MMT片层被剥离成薄片并均勻分散在橡胶基质中，由于MMT片层大小不等的片形结构，小分子不可能直接穿过片层表面，只有通过改变路径来层层渗入，因而，当层数较多层间距较薄时，获到的层状复合材料具有优异的气密性，复合材料层数及每层的厚度由应用场合的要求确定，可用于各种轮胎的内胎、无内胎轮胎等领域。阻隔材料混合料1-1选择为蒙脱土与油或乳胶的混合物，其中的蒙脱土是一种层状结构的硅酸盐，其表面呈亲水性，不利于其在有机相中分散以及被有机相润湿，为克服此性状，必须使蒙脱土表面进行处理使其呈疏水性，从而使蒙脱土与橡胶1-2有较好的粘结性。本专利技术是将橡胶原料与阻隔材料混合料分别装入熔融塑化供料装置1，阻隔材料为蒙脱土与油或乳胶的混合物，熔融塑化供料装置 1为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机，汇流器2将来自两个塑化供料装置2的两层熔体叠合成一层。汇流器2与层叠器3对接，复合熔体在离开汇流器3进入层叠器3的入口熔体3-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种有机－无机杂化复合材料制备方法，其特征在于：将无机纳米材料与粘度相对较低的高分子材料共混后加入一台熔融塑化供料装置，将高分子基体材料加入另一台熔融塑化供料装置；汇流器将来自两个塑化供料装置的两层熔体叠合成一层；汇流器出口与层叠器入口对接，复合熔体在离开汇流器进入层叠器的入口熔体沿宽度方向平均分割成ｍ等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转９０°并且展宽ｍ倍，厚度减薄到１／ｍ倍，成为分支熔体，在此过程中无机纳米材料沿流动方向取向；分支熔体在出口端汇流成为２×ｍ层的出口熔体，层叠器入口熔体通道尺寸与旋转９０°的出口熔体通道尺寸相同；如果串联ｋ个同样的层叠器，则可得到２×ｍｋ层的多层结构复合材料，最后一个层叠器的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型装置得到层状复合材料，其中的ｍ为不小于二的整数，ｋ为不小于一的整数。

【技术特征摘要】
1.一种有机-无机杂化复合材料制备方法，其特征在于将无机纳米材料与粘度相对较低的高分子材料共混后加入一台熔融塑化供料装置，将高分子基体材料加入另一台熔融塑化供料装置；汇流器将来自两个塑化供料装置的两层熔体叠合成一层；汇流器出口与层叠器入口对接，复合熔体在离开汇流器进入层叠器的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中无机纳米材料沿流动方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，王乾，钟雁，焦志伟，谢鹏程，王德禧，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11