CN104861424B - 一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法 - Google Patents

一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法，该材料是以膨胀微球为基体、硅烷偶联剂改性的CNTs为纳米增强相、环氧树脂为界面粘结剂制备而成，该方法包括硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备、改性CNTs+环氧树脂溶液的制备、改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备、聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备步骤。本发明具有制备方法简易可控，并利用硅烷偶联剂有效解决CNTs的团聚难题，并使CNTs均匀分散于微球基体提高CNTs的增强效果；选用环氧树脂可以显著提高微球之间的界面结合力和力学性能。所制备的轻质高强材料密度、微观结构和宏观尺寸精确调控，力学性能优异。

Description

一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法
技术领域
本发明属于改性聚合物泡沫复合材料技术领域，主要涉及到一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法，具体涉及到以硅烷偶联剂改性CNTs作为纳米增强相，以环氧树脂为粘结剂，在以膨胀微球为基体中的聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法。
背景技术
泡沫材料密度低，质轻，比强度高，有优良的缓冲减震性能，隔音吸音性能，热导率低，隔热性能好，优良的电绝缘性能，具有耐腐蚀、耐霉菌性能。软质泡沫材料具有弹性优良等性能。泡沫材料可广泛应用在生产实际生活中。
CNTs是一种一维的纳米材料，六边形结构完美，其中的碳原子采用sp2杂化方式使得碳纳米管具有高模量与高强度；碳纳米管上碳原子的P轨道上的电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，CNTs轻质高强，弹性模量高，它的优良的力学、电学性能使得其在很多领域得到了广泛的应用。但是CNTs的颗粒之间具有很大的比表面积与表面自由能，使得CNTs的团聚现象比较严重。而偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而大大提高复合材料的性能。环氧树脂具有良好的物理化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。
通过查阅国内外专利与文献可表明：发泡法在制备泡沫材料时有着巨大的应用，常见的发泡方法有机械发泡法、物理发泡法、化学发泡法微球等，专利201280032816采用的发泡方法是物理/化学发泡方法，物理发泡法大多成型设备复杂，价格昂贵，限制其工业化应用；化学发泡法中气相依附于发泡剂的成核、长大点有限，因而得到的泡孔直径较大。微球发泡的方法制备过程简单、周期短、原料易存储、发泡性能优异等优点。CNTs有着优异的力学、电学性能，目前运用CNTs来增强复合材料的性能时，CNTs的团聚和CNTs与基体界面的作用力差使得CNTs的增强效果并没有很好的体现。专利201210483426描述的石墨烯/碳纳米管复合材料及制备方法在氧化石墨烯中加入CNTs后加热搅拌并没有改善CNTs的界面团聚现象；专利CN200810041822中运用强力机械球磨处理CNTs只是从宏观上解决了一部分的CNTs的团聚并未从根本上解决碳纳米管的团聚现象。环氧树脂由于其优异的粘结性能常作为复合材料基体相，文献(王永凯.石墨烯/环氧树脂基复合材料的制备与性能研究[D].郑州大学.2013)将环氧树脂作为基体,但是环氧树脂含量过多会使材料脆性增强，.不利于材料的韧性。本发明采用硅烷偶联剂改性CNTs使得CNTs团聚现象在微观层次上减少，加入适量环氧树脂搅拌超声后再将膨胀微球粘结而且利用环氧树脂的优良力学性能，环氧树脂的粘结效果得到利用而且不会让材料脆性增大，环氧树脂均匀粘结膨胀微球基体与CNTs，充分发挥CNTs优异的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法，以克服现有技术存在的缺陷。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的是一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法，所述材料是以膨胀微球为基体、硅烷偶联剂改性的CNTs为纳米增强相、环氧树脂为界面粘结剂制备而成，具体包括以下步骤：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将硅烷改性剂和甲醇或乙醇有机溶剂按体积1:10-1:5的比例混合，并在常温下搅拌至均匀；称取0.1g-0.6gCNTs和甲醇或乙醇有机溶剂混合，搅拌均匀后超声分散1-5h；加入所制备的硅烷偶联剂溶液中，再超声搅拌1-5h；所述的硅烷偶联剂溶液的体积浓度15％-20％，添加硅烷偶联剂溶液的体积分数范围为10％-30％；
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将环氧树脂和固化剂溶解在甲醇或乙醇有机溶剂里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液中，超声分散1-5h；所述的环氧树脂溶液的体积浓度为5％-10％，添加环氧树脂溶液的体积分数为3％-5％；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取1.5g-3.0g膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散1-5h，再经干燥后放入烧杯；所述的膨胀微球与环氧树脂溶液/硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶胶的适当干燥温度为30℃-40℃；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.0g-1.6g放入模具中，并将模具放至在烘箱内保温，保温温度100℃-150℃，保温时间0.5-1h；
(2)将步骤(1)中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料。
所述的膨胀微球为所用的基体在温度50℃-150℃内可体积膨胀的膨胀塑料微球。
本发明以膨胀微球为基体，其壳体为可塑性高分子，内含物碳氢化合物作为膨胀剂。其优异的膨胀性能使得在膨胀过程中，各个颗粒之间的挤压紧密，充分发挥硅烷偶联剂改性后的CNTs的连接性能；本发明以硅烷偶联剂改性剂改性后的CNTs为纳米增强相，很好得减小了CNTs颗粒之间的团聚现象，本发明以环氧树脂为膨胀微球与硅烷偶联剂改性后的CNTs的粘结剂，充分均匀粘结膨胀微球基体与硅烷偶联剂改性后的CNTs，使得CNTs的优异的力学、电学性能得到充分的利用。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)本发明提供的制备方法，工艺简单，易操作，常压下进行，成本较低。
(2)利用硅烷偶联剂改性CNTs获得较为均匀并且团聚较少的CNTs改性膨胀性较好的膨胀微球，并用环氧树脂粘结膨胀微球与硅烷偶联剂改性后的CNTs，设计上比较新颖。
(3)制备的聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小可精确控制、力学性能较好，聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径在15μm-20μm范围内可控制，泡孔分布均匀，CNTs的未出现团聚现象，表明硅烷偶联剂的分散效果较好；压缩强度在12MPa-16MPa可控，弹性模量从40MPa-140MPa可控，弹性模量优异，充分发挥了CNTs的优异力学性能与环氧树脂的粘结性能，密度0.2g/cm-3-0.8g/cm-3，轻质高强。
附图说明
图1是实施例1-实施例5的所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的应力-应变曲线；
图2是实施例1所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径的微观形貌图；
图3是实施例2所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径的微观形貌图；
图4是实施例3所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径的微观形貌图；
图5是实施例4所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径的微观形貌图；
图6是实施例5所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径的微观形貌图。
具体实施方案
本发明主要涉及到一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法。该轻质高强泡沫材料的组成：可膨胀微球基体，纳米增强相-硅烷偶联剂改性的CNTs(CNTs是碳纳米管的英文缩写)，微球间的环氧树脂粘结相。该方法是在超声分散CNTs的溶液与搅拌均匀的含有硅烷偶联剂溶液混合并加入少量环氧树脂溶液，然后加入适量的膨胀微球，超声搅拌均匀后形成含有增强相-CNTs、改性剂-硅烷偶联剂、结合剂-环氧树脂和可膨胀微球的聚合物溶胶，将溶胶低温干燥烘干成型后放入特定尺寸规格的模具内升温使得微球膨胀和环氧树脂固化，制备出改性CNTs增强的聚合物基轻质高强泡沫材料。本发明提供的制备方法具有制备方法简易可控，并利用硅烷偶联剂有效解决CNTs的团聚难题，并使CNTs均匀分散于微球基体提高CNTs的增强效果；选用环氧树脂可以显著提高微球之间的界面结合力和力学性能。所制备的轻质高强材料密度、微观结构和宏观尺寸精确调控，力学性能优异。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
场发射扫描电镜图由Quanta FEG 250(美国，FEI公司)场发射扫描电子显微镜获得。
应力-应变曲线图由上海倾技仪器仪表科技有限公司生产的QJ210A-5000N数控微机一体电子万能试验机获得。
密度由根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量和空腔模具的体积所算的。
实施例1：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将15mL硅烷改性剂KH-560和80mL乙醇混合，并在常温下搅拌至均匀。称取适量0.3gCNTs和60mL乙醇混合，搅拌均匀后超声分散2h；加入20mL所制备的硅烷偶联剂溶液，再超声搅拌3h。
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将1mL环氧树脂E51和固化剂氨基树脂溶解在9mL甲醇里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液取5mL加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液的烧杯中，超声分散4h；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取2.7g日本松本油脂制药株式会社提供的F30D膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散1-5h后，在30℃的条件下干燥后放入烧杯；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将特定规格的空腔模具内喷涂脱模剂；
(2)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.27g(5％CNTs)放入特定规格的空腔模具中，并将模具放至在120℃下保温0.5h；
(3)将步骤(1)中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料
根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量(1.27g)和空腔模具(直径为30mm高为3mm的圆柱空腔)的体积，可算出所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料密度为0.6g/cm-3；如图1所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的压缩强度为12.24MPa，弹性模量为41.01MPa；如图2所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小为19.25μm。
实施例2：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将15mL硅烷改性剂KH-560和83mL乙醇混合，并在常温下搅拌至均匀。称取适量0.3gCNTs和50mL乙醇混合，搅拌均匀后超声分散1h；加入15mL所制备的硅烷偶联剂溶液，再超声搅拌3h。
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将1mL环氧树脂E51和固化剂氨基树脂溶解在9mL甲醇里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液取3mL加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液的烧杯中，超声分散3h；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取2.7g日本松本油脂制药株式会社提供的F30D膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散4h后，在40℃的条件下干燥后放入烧杯；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将特定规格的空腔模具内喷涂脱模剂；
(2)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.27g(10％CNTs)放入特定规格的空腔模具中，并将模具放至在140℃下保温0.5h；
(3)将步骤(1)中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料
根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量(1.27g)和空腔模具(直径为30mm高为3mm的圆柱空腔)的体积，可算出所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料密度为0.6g/cm-3；如图1所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的压缩强度为13.77MPa，弹性模量为94.04MPa；如图3所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小为16.51μm。
实施例3：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将15mL硅烷改性剂KH-560和85mL乙醇混合，并在常温下搅拌至均匀。称取适量0.3gCNTs和70mL乙醇混合，搅拌均匀后超声分散2h；加入25mL所制备的硅烷偶联剂溶液，再超声搅拌3h。
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将1mL环氧树脂E51和固化剂氨基树脂溶解在9mL甲醇里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液取5mL加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液的烧杯中，超声分散3h；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取1.7g日本松本油脂制药株式会社提供的F30D膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散4h后，在40℃的条件下干燥后放入烧杯；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将特定规格的空腔模具内喷涂脱模剂；
(2)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.27g(15％CNTs)放入特定规格的空腔模具中，并将模具放至在130℃下保温0.5h；
(3)取出步骤(1)中模具后从中取出，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料
根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量(1.27g)和空腔模具(直径为30mm高为3mm的圆柱空腔)的体积，可算出所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料密度为0.6g/cm-3；如图1所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的压缩强度为14.01MPa，弹性模量为99.552MPa；如图4所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小为16.51μm。
实施例4：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将15mL硅烷改性剂KH-560和85mL乙醇混合，并在常温下搅拌至均匀。称取适量0.5gCNTs和40mL乙醇混合，搅拌均匀后超声分散2h；加入15mL所制备的硅烷偶联剂溶液，再超声搅拌3h。
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将1mL环氧树脂E51和固化剂氨基树脂溶解在9mL甲醇里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液取3mL加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液的烧杯中，超声分散3h；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取2.0g日本松本油脂制药株式会社提供的F30D膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散4h后，在30℃的条件下干燥后放入烧杯；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将特定规格的空腔模具内喷涂脱模剂；
(2)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.27g(20％CNTs)放入特定规格的空腔模具中，并将模具放至在125℃下保温0.5h；
(3)将步骤(1)中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料
根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量(1.27g)和空腔模具(直径为30mm高为3mm的圆柱空腔)的体积，可算出所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料密度为0.6g/cm-3；如图1所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的压缩强度为15.57MPa，弹性模量为111.42MPa；如图5所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小为15.25μm。
实施例5：
A.硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将15mL硅烷改性剂KH-560和85mL乙醇混合，并在常温下搅拌至均匀。称取适量0.5gCNTs和65mL乙醇混合，搅拌均匀后超声分散3h；加入20mL所制备的硅烷偶联剂溶液，再超声搅拌3h。
B.改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将1mL环氧树脂E51和固化剂氨基树脂溶解在9mL甲醇里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液取4mL加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液的烧杯中，超声分散3h；
C.改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取1.5g日本松本油脂制药株式会社提供的F30D膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散4h后，在40℃的条件下干燥后放入烧杯；
D.聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
(1)将特定规格的空腔模具内喷涂脱模剂；
(2)将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.27g(25％CNTs)放入特定规格的空腔模具中，并将模具放至在140℃下保温0.5h；
(3)将步骤(1)中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料根据添加的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的质量(1.27g)和空腔模具(直径为30mm高为3mm的圆柱空腔)的体积，可算出所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料密度为0.6g/cm-3；如图1所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的压缩强度为16.62MPa，弹性模量为110.23MPa；如图6所示，所制备的一种聚合物基轻质高强泡沫材料的孔径大小为14.73μm。

Claims (6)

1.一种聚合物基轻质高强泡沫材料的制备方法，其特征是该材料是以膨胀微球为基体、硅烷偶联剂改性的CNTs为纳米增强相、环氧树脂为界面粘结剂制备而成，具体包括以下步骤：
A. 硅烷偶联剂改性CNTs溶液的制备：
将硅烷偶联剂和甲醇或乙醇有机溶剂按体积1:10-1:5的比例混合，并在常温下搅拌至均匀；称取0.1g-0.6gCNTs和甲醇或乙醇有机溶剂混合，搅拌均匀后超声分散1-5h；加入所制备的硅烷偶联剂溶液中，再超声搅拌1-5h；
B. 改性CNTs+环氧树脂溶液的制备：
将环氧树脂和固化剂溶解在甲醇或乙醇有机溶剂里，搅拌后充分溶解，得到环氧树脂溶液，将制备的环氧树脂溶液加入到A步骤中硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶液中，超声分散1-5h；
C. 改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶的制备：
称取1.5g-3.0g膨胀微球与B步骤获得的改性CNTs+环氧树脂溶液混合后搅拌均匀、超声分散1-5h，再经干燥后放入烧杯；
D. 聚合物基轻质高强泡沫材料的加热固化与发泡制备：
（1）将C步骤制备的改性CNTs+环氧树脂+膨胀微球溶胶称量1.0g-1.6g放入模具中，并将模具放至在烘箱内保温0.5-1h；
（2）将步骤（1）中模具从烘箱中取出后，冷却至室温，获得硅烷偶联剂聚合物基轻质高强泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的膨胀微球为所用的基体在温度50℃-150℃内可体积膨胀的膨胀塑料微球。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤A中所述的硅烷偶联剂溶液的体积浓度为15%-20% 。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤B中所述的环氧树脂溶液的体积浓度为5%-12%，添加环氧树脂溶液的体积分数为3%-5%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤C中所述的膨胀微球与环氧树脂溶液/硅烷偶联剂改性后的CNTs的溶胶的适当干燥温度为30℃-40℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤D中，将模具放至在烘箱内保温，保温温度是100℃-150℃。
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