CN105255172A - 一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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夏兆路
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Abstract

本发明涉及聚合物复合材料领域，具体是一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料及其制备方法，所述的复合材料，是由95~99.8wt%的尼龙6及0.2~5wt%的热膨胀石墨构成的。本发明所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料，与纯尼龙6相比，其拉伸、弯曲、耐热等性能均得到显著的提高。

Description

一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物复合材料领域，具体是一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料及其制备方法。
背景技术
尼龙6(PA6)作为一种重要的热塑性工程塑料，在工业领域和日常生活中得到广泛应用。但尼龙6耐热性能较差且强度、模量等力学性能并不突出，使其应用受到一定限制，对PA6进行增强或功能化改性可进一步提高其综合性能，使其作为电器外壳、汽车内饰品、机械零件等制备材料应用于电子电器、交通运输、机械建筑等领域，进一步拓宽PA6的应用范围。
以可膨胀石墨、碳纳米管及石墨烯等为代表的碳系填料具有高强度、高模量、导电性良好等特点，是聚合物填充改性领域近年来持续研究的热点[ChangCM,etal.Carbon2010,48:1289-1297]。可膨胀石墨经过快速热膨胀处理制得的热膨胀石墨具有低成本，耐高低温，高比强度，优异的导热导电性等，是聚合物改性的重要填料之一[Chung,etal.JMaterSci2002,37:1475-1489]。将热膨胀石墨与聚合物共混制备复合材料可赋予聚合物高强度、高耐热以及导热导电等特性。然而膨胀石墨松散的蠕虫状结构和极大的膨胀体积导致其在与聚合物熔融共混过程中往往难以均匀分散，且与聚合物基体间的界面结合较差，因此难以起到增强或功能化改性的作用。
发明内容
本发明为了提高尼龙6的拉伸、弯曲、耐热等性能，提供了一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料，是由95～99.8wt％的尼龙6及0.2～5wt％的热膨胀石墨构成的。
进一步，为了提高热膨胀石墨与尼龙6基体的界面作用及其在尼龙6中的分散性，本发明提供了一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其步骤为：快速热膨胀处理后的可膨胀石墨，经过超声处理后与尼龙6熔融共混，挤出造粒后真空烘箱干燥后形成所述尼龙6/热膨胀石墨复合材料的颗粒。本发明利用快速热膨胀技术将可膨胀石墨片层膨胀开，生成蠕虫状的热膨胀石墨，通过超声处理降低热膨胀石墨粒子粒径，处理后的热膨胀石墨粒子比表面积增大，有利于提高其与尼龙6基体的界面作用。
具体的，本发明提供了快速热膨胀处理的方法：可膨胀石墨在800～1100℃的环境下热膨胀20～50s后，常温冷却。具体实施时，该快速热膨胀处理可在马弗炉内实行。
另外，热膨胀石墨是在无水丙酮内实现超声处理的，超声处理后的热膨胀石墨粒子可以均匀稳定地分散在无水丙酮中；并且无水丙酮易于挥发，超声处理完成后需常温挥发掉无水丙酮，待无水丙酮挥发完全后真空烘箱干燥，然后与尼龙6共混。
进一步，所述超声处理是在超声破碎仪内进行的。具体应用时，该超声破碎仪的型号为JY92-IIDN(宁波新芝生物科技股份有限公司).热膨胀石墨于该超声破碎仪内的处理时间为1～2h。
为了促进热膨胀石墨在尼龙6基体中的分散，共混物熔融共混过程中引入超声外场。
优选的，所述超声外场的超声波方向垂直于共混物熔体的流动方向。该方向使得超声波的“空化效应”促进热膨胀石墨在尼龙6基体中的分散更加均匀，能够显著提高复合材料的拉伸、弯曲、耐热等性能。
进一步，所述超声外场是通过带有超声波探头的超声发生器实现的，该超声发生器安装于双螺杆挤出机机头口。
此外，所述超声外场的功率可以在一定范围内进行调节，本发明优选的为400～500W。
本发明所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料，与纯尼龙6相比，其拉伸、弯曲、耐热等性能均得到显著的提高。
表1纯尼龙6与复合材料的性能对比
附图说明
图1为不同热膨胀石墨含量的复合材料的拉伸性能对比图。
图2为不同热膨胀石墨含量的复合材料的弯曲性能对比图。
图3为不同热膨胀石墨含量的复合材料的耐热性能对比图。
具体实施方式
实施例一：
尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将可膨胀石墨加入到坩埚中，盖上盖子，迅速放入800℃的马弗炉中，热膨胀50s后立即取出，常温冷却；
(2)将步骤(1)所得到的产物与无水丙酮(通过无水氯化钙除水数天)混合，在超声破碎仪中处理1h，常温挥发掉无水丙酮，待丙酮挥发完全后再放入到80℃真空烘箱中干燥24h；
(3)将步骤(2)所得到的产物与尼龙6按质量比0.25：99.75共混，在引入500W超声外场条件下，在225℃下使用同向双螺杆挤出机挤出，造粒后在80℃真空烘箱中干燥24h，通过注塑机在230℃下注塑成型制得尼龙6/热膨胀石墨复合材料样条。
在尼龙6/热膨胀石墨复合材料挤出过程中，超声外场是通过如下方式引入的：在双螺杆挤出机机头口模处设置带有超声波探头的超声发生器，超声波方向垂直于熔体流动方向。
实施例二：
尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将可膨胀石墨加入到坩埚中，盖上盖子，迅速放入800℃的马弗炉中，热膨胀50s后立即取出，常温冷却；
(2)将步骤(1)所得到的产物与无水丙酮(通过无水氯化钙除水数天)混合，在超声破碎仪中处理2h，常温挥发掉无水丙酮，待丙酮挥发完全后再放入到80℃真空烘箱中干燥24h；
(3)将步骤(2)所得到的产物与尼龙6按质量比0.5：99.5共混，在引入500W超声外场条件下，在225℃下使用同向双螺杆挤出机挤出，造粒后在80℃真空烘箱中干燥24h，通过注塑机在235℃下注塑成型制得尼龙6/热膨胀石墨复合材料样条。
实施例三：
尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将可膨胀石墨加入到坩埚中，盖上盖子，迅速放入900℃的马弗炉中，热膨胀50s后立即取出，常温冷却；
(2)将步骤(1)所得到的产物与无水丙酮(通过无水氯化钙除水数天)混合，在超声破碎仪中处理1.5h，常温挥发掉无水丙酮，待丙酮挥发完全后再放入到80℃真空烘箱中干燥24h；
(3)将步骤(2)所得到的产物与尼龙6按质量比1：99共混，在500W超声外场条件下，在225℃下使用同向双螺杆挤出机挤出，造粒后在80℃真空烘箱中干燥24h，通过注塑机在230℃下注塑成型制得尼龙6/热膨胀石墨复合材料样条。
实施例四：
尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将可膨胀石墨加入到坩埚中，盖上盖子，迅速放入1100℃的马弗炉中，热膨胀20s后立即取出，常温冷却；
(2)将步骤(1)所得到的产物与无水丙酮(通过无水氯化钙除水数天)混合，在超声破碎仪中处理1h，常温挥发掉无水丙酮，待丙酮挥发完全后再放入到60℃真空烘箱中干燥12h；
(3)将步骤(2)所得到的产物与尼龙6按质量比0.2：99.8共混，在引入400W超声外场条件下，在215℃下使用同向双螺杆挤出机挤出，造粒后在60℃真空烘箱中干燥12h，通过注塑机在215℃下注塑成型制得尼龙6/热膨胀石墨复合材料样条。
实施例五：
尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将可膨胀石墨加入到坩埚中，盖上盖子，迅速放入900℃的马弗炉中，热膨胀40s后立即取出，常温冷却；
(2)将步骤(1)所得到的产物与无水丙酮(通过无水氯化钙除水数天)混合，在超声破碎仪中处理2h，常温挥发掉无水丙酮，待丙酮挥发完全后再放入到70℃真空烘箱中干燥24h；
(3)将步骤(2)所得到的产物与尼龙6按质量比5：95共混，在引入450W超声外场条件下，在235℃下使用同向双螺杆挤出机挤出，造粒后在70℃真空烘箱中干燥18h，通过注塑机在235℃下注塑成型制得尼龙6/热膨胀石墨复合材料样条。
表2上述各实施例所制得的复合材料样条的性能对比

Claims (8)

1.一种尼龙6/热膨胀石墨复合材料，其特征在于，是由95~99.8wt%的尼龙6及0.2~5wt%的热膨胀石墨构成的。
2.权利要求1所述尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，其步骤为：快速热膨胀处理后的可膨胀石墨，经过超声处理后与尼龙6熔融共混，挤出造粒后真空烘箱干燥后形成所述尼龙6/热膨胀石墨复合材料的颗粒。
3.根据权利要求2所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，共混物熔融共混过程中引入超声外场。
4.根据权利要求2或3所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述快速热膨胀处理的方法为：可膨胀石墨在800~1100℃的环境下热膨胀20~50s后，常温冷却。
5.根据权利要求4所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，热膨胀石墨是在无水丙酮内实现超声处理的，超声处理完成后需常温挥发掉无水丙酮，待无水丙酮挥发完全后需真空烘箱干燥，然后与尼龙6共混。
6.根据权利要求5所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声外场的超声波方向垂直于共混物熔体的流动方向。
7.根据权利要求6所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声外场是通过带有超声波探头的超声发生器实现的，该超声发生器安装于双螺杆挤出机机头口。
8.根据权利要求5或6或7所述的尼龙6/热膨胀石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声外场的功率为400~500W。
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