CN102120880A - 一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料及其制备方法,其特征在于组分组成质量份数百分数为:有机累托石粘土1~10,尼龙90~99;所述有机累托石粘土是用C12~C18长链有机季铵盐或C12~C18长链有机二元胺对累托石进行有机阳离子交换插层处理得到的;所述累托石为纯度70%的钠基累托石;所述有机插层剂为分子结构中含有一个碳原子个数为12~18的直链烷基季铵盐或含有两个碳原子个数为12~18的支链烷基二元胺。本发明采用熔融共混法制备纳米复合材料,是一种直接、无污染、适用范围广、操作工艺简单、成本低廉的制备纳米复合材料的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料及其制备方法,属于高分子加工领域。
背景技术
聚合物基纳米复合材料是以聚合物为基体,纳米材料为分散相的一种复合材料。由于其中的纳米材料的尺寸效应,大的比表面积和强的界面结合,会使聚合物基纳米复合材料具有一般聚合物基复合材料所不具备的优异性能,因而具有极为广阔的应用前景和商业开发价值,聚合物基纳米复合材料目前已成为纳米技术最高实现产业的技术之一。
1986年,日本丰田研究中心首次利用层状硅酸盐类的蒙脱土粘土和尼龙制得聚合物基纳米复合材料,此后,有关蒙脱土的有机改性和其在聚合物基纳米复合材料等方面的研究一直是材料科学的热点。与传统的聚合物/无机填料复合材料相比,纳米复合材料具有它们无法比拟的优点,例如优异的加工性能、力学性能、热学性能和气体阻隔性能等。日本丰田研究中心、美国的Cornell大学、Michigan州立大学和中科院化学所等单位对这种新型的复合材料进行了大量的研究工作,先后制备出聚酰胺、聚酯、聚烯烃/粘土等纳米复合材料,并在理论和应用开发方面取得了一系列重要进展。
在我国,蒙脱土虽然具有较大的储藏量,但是品质优良的蒙脱土矿较少,改性复合材料的性能提高幅度不大,甚至会使某些性能下降。而累托石是一种具有1∶1类蒙皂石和类云母间层结构的粘土矿物。其中,类蒙皂石层层间距较大,约为2mm,并具有可交换的阳离子,在水中可以膨胀为2nm左右的片层结构。这种结构特征决定了其可能在聚合物改性领域中比蒙脱石具有更广阔的应用前景。但是不同地理位置所得到的累托石矿物品质不同,则在以此为填料时,改性塑料的组分和制备工艺均需要根据具体的累托石粘土矿物进行研究。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料及其制备方法,以国内湖北钟祥的累托石矿作为填料对其改性,并以此与常规工程塑料尼龙用熔融共混插层法制备粘土纳米复合材料,获得高强度累托石粘土、尼龙纳米复合材料。
技术方案
一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料,其特征在于组分组成质量份数百分数为:有机累托石粘土1~10,尼龙90~99;所述有机累托石粘土是用C12~C18长链有机季铵盐或C12~C18长链有机二元胺对累托石进行有机阳离子交换插层处理得到的;所述累托石为纯度70%的钠基累托石;所述有机插层剂为分子结构中含有一个碳原子个数为12~18的直链烷基季铵盐或含有两个碳原子个数为12~18的支链烷基二元胺。
所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙1010、尼龙11或尼龙12。
一种制备权利要求1所述的高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料方法,其特征在于步骤如下:
步骤1制备有机累托石粘土:以100g钠基累托石为基准,将累托石与400~1000ml水加入反应器中搅拌制浆,并将C12~C18长链有机季铵盐或C12~C18长链有机二元胺溶于水后加入到浆液中,其中有机改性剂C12的浓度为30-~40wt%,均值分散3~15分钟,并在80~100℃下保温反应3~12h;然后过滤并用去离子水反复洗涤直至洗涤液中用浓度为0.1mol/Lde AgNO3溶液检查不到卤素离子时,烘干研磨制得颗粒尺寸为1~15μm的有机累托石粘土;
步骤2有机累托石/尼龙纳米复合材料:将尼龙90~99份,有机累托石粘土1~10份,混合均匀后,置于双螺杆挤出机上熔融挤出,双螺杆挤出机料口温度为160~185℃,料筒温度为200~260℃,机头出料温度为230~270℃,螺杆转速为80~150r/min并将挤出物料冷却切粒,制得有机累托石/尼龙纳米复合材料。
步骤中的有机改性剂为C16或C18。
有益效果
本发明提出的高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料及其制备方法,相对于现有技术,本发明的优点为:
1)、该纳米复合材料的拉伸模量大幅度提高,在有机累托石粘土加入量仅为3%左右时,材料的拉伸模量从2.71GPa提高到3.81GPa和4.11GPa,增幅达到40.6%和51.7%。而用相同含量的国产有机蒙脱土制得的纳米复合材料的拉伸模量为3.39GPa,用相同含量的国外产的有机蒙脱土制得的纳米复合材料的拉伸模量为3.65GPa。
2)、该纳米复合材料相对于纯尼龙拉伸强度也有较大增加,在有机累托石粘土加入量仅为3%左右时,材料的拉伸强度从77.65MPa提高到91.24MPa和86.73MPa,增幅达到17.5%和11.7%。而用相同含量的国产有机蒙脱土制得的纳米复合材料的拉伸强度为87.67MPa,用相同含量的国外产商品化有机蒙脱土制得的纳米复合材料的拉伸强度为87.64MPa。
3)、该纳米复合材料相对于纯尼龙缺口冲击强度减少不大,在有机累托石粘土加入量为3%左右时,材料的缺口冲击强度从13.08KJ/m2减少到10.32KJ/m2和8.77KJ/m2,而用相同含量的国产有机蒙脱土制得的纳米复合材料的缺口冲击强度仅为5.78KJ/m2,用相同含量的国外产商品化有机蒙脱土制得的纳米复合材料的缺口冲击强度仅为4.81KJ/m2。
4)、本发明采用熔融共混法制备纳米复合材料,是一种直接、无污染、适用范围广、操作工艺简单、成本低廉的制备纳米复合材料的方法。
附图说明
图1为本发明中有机累托石粘土的制备工艺;
图2为本发明熔融合成纳米复合材料的制备工艺;
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例1:将100g纯度为70%的累托石置于反应器中,加入800ml水,搅拌制成浆液,取160ml的C12的有机季铵盐,并用适量水将其溶解,C12在水中的浓度为30~40wt%,缓慢加入到浆液中,用高速分散机均质搅拌5min之后,将反应器升温至80℃,保温反应6h,过滤,并用去离子水反复洗涤,直至用AgNO3溶液滴加到洗涤液中不出现白色沉淀,将制得的有机累托石烘干,并粉碎研磨。
取60g磨细的有机粘土累托石,940g纯尼龙粒料,混合均匀后用双螺杆挤出机混合,设置挤出机进料温度为220℃,料筒温度为230℃,出料温度为230℃,螺杆转速为80r/min,并将出料冷却,切粒,制得纳米复合材料。
实施例2:将100g纯度为70%的累托石置于反应器中,加入800ml水,搅拌制成浆液,取40g的C16的有机季铵盐,并用适量热水将其溶解,C16在水中的浓度为30~40wt%,缓慢加入到浆液中,用高速分散机均质搅拌5min之后,将反应器升温至86℃,保温反应10h,过滤,并用去离子水反复洗涤,直至用AgNO3溶液滴加到洗涤液中不出现白色沉淀,将制得的有机累托石烘干,并粉碎研磨。
取70g磨细的有机粘土累托石,930g纯尼龙粒料,混合均匀,置于双螺杆挤出机中,设置挤出机进料温度为220℃,料筒温度为230℃,出料温度为230℃,螺杆转速为120r/min,并将出料冷却,切粒,制得纳米复合材料。
实施例3:将100g纯度为70%的累托石置于反应器中,加入800ml水,搅拌制成浆液,取40g的C18的有机季铵盐,并用适量水将其溶解,C18在水中的浓度为30~40wt%,缓慢加入到浆液中,用高速分散机均质搅拌5min之后,将反应器升温至90℃,保温反应10h,过滤,并用去离子水反复洗涤,直至用AgNO3溶液滴加到洗涤液中不出现白色沉淀,将制得的有机累托石烘干,并粉碎研磨。
取80g磨细的有机粘土累托石,920g纯尼龙粒料,混合均匀,置于双螺杆挤出机中,设置挤出机进料温度为220℃,料筒温度为230℃,出料温度为230℃,螺杆转速为100r/min,并将出料冷却,切粒,制得纳米复合材料。
实施例4:将100g纯度为70%的累托石置于反应器中,加入1000ml水,搅拌制成浆液,取160ml的C12的有机二元胺,并用适量水将其溶解,二元胺在水中的浓度为30~40wt%,缓慢加入到浆液中,用高速分散剂,均质搅拌5min之后,将反应器升温至95℃,保温反应5h,过滤,并用去离子水反复洗涤,直至用AgNO3溶液滴加到洗涤液中不出现白色沉淀,将制得的有机累托石烘干,并粉碎研磨。
取60g磨细的有机粘土累托石,940g纯尼龙粒料,混合均匀,置于双螺杆挤出机中,设置挤出机进料温度为220℃,料筒温度为230℃,出料温度为230℃,螺杆转速为90r/min,并将出料冷却,切粒,制得纳米复合材料。
在制备纳米复合材料过程中,采用C12、C18改性的有机累托石,和采用美国某粘土公司产的A型有机蒙脱土,以及国内某粘土公司产的B型有机蒙脱土分别与尼龙共混制得的纳米复合材料为12-尼龙、18-尼龙A-尼龙及B-尼龙。
制得的复合材料的力学性能如下:
拉伸模量(GPa) | 拉伸强度(MPa) | 缺口冲击强度(KJ/m2) |
纯尼龙 | 2.71 | 77.65 | 13.08 |
12-尼龙 | 3.81 | 91.24 | 10.32 |
18-尼龙 | 4.11 | 86.73 | 8.77 |
A-尼龙 | 3.65 | 87.64 | 4.81 |
B-尼龙 | 3.39 | 87.67 | 5.78 |
改性后的尼龙可替代铜等金属广泛地应用于机械、化工、仪表、汽车等工业制造轴承、齿轮、泵叶及其它零件;也可用于制造缆绳、传送带、帐篷、渔网以及降落伞及其他医疗、军用织物。
Claims (4)
1.一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料,其特征在于组分组成质量份数百分数为:有机累托石粘土1~10,尼龙90~99;所述有机累托石粘土是用C12~C18长链有机季铵盐或C12~C18长链有机二元胺对累托石进行有机阳离子交换插层处理得到的;所述累托石为纯度70%的钠基累托石;所述有机插层剂为分子结构中含有一个碳原子个数为12~18的直链烷基季铵盐或含有一个碳原子个数为12~18的烷基二元胺。
2.根据权利要求2所述的高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料,其特征在于所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙1010、尼龙11或尼龙12。
3.一种制备权利要求1~2所述的任一种高强度有机累托石/尼龙纳米复合材料方法,其特征在于步骤如下:
步骤1制备有机累托石粘土:以100g钠基累托石为基准,将累托石与400~1000ml水加入反应器中搅拌制浆,并将C12~C18长链有机季铵盐或C12~C18长链有机二元胺溶于水后加入到浆液中,有机季铵盐或二元胺在水中的浓度为30~40wt%,均值分散3~15分钟,并在80~100℃下保温反应3~12h;然后过滤并用去离子水反复洗涤直至洗涤液中用浓度为0.1mol/Lde AgNO3溶液检查不到卤素离子时,烘干研磨制得颗粒尺寸为1~15μm的有机累托石粘土;
步骤2有机累托石/尼龙纳米复合材料:将尼龙90~99份,有机累托石粘土1~10份,混合均匀后,置于双螺杆挤出机上熔融挤出,双螺杆挤出机料口温度为160~185℃,料筒温度为200~260℃,机头出料温度为230~270℃,螺杆转速为80~150r/min并将挤出物料冷却切粒,制得有机累托石/尼龙纳米复合材料。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于步骤中的有机改性剂为C12、C16或C18。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110713 |