CN105968505A - 一种负载微生物聚乙烯纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载微生物纳米有机蒙脱石/聚乙烯复合材料的制备方法，属于聚乙烯复合材料制备技术领域。本发明用十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂对钠基蒙脱石进行改性制得纳米有机蒙脱石，通过利用EM菌液中的微生物对有机蒙脱石表面修饰，将改性后的纳米有机蒙脱石再与聚乙烯、丙烯酸丁酯等混合并挤出造粒制得复合材料。本发明的有益效果是：本发明制备步骤简单，制备过程中纳米粒子分散性好，不易团聚；纳米体系与聚合物亲和力好，所得产品易加工，拉伸强度、弯曲强度分别提高了25.3%以上和28.6%以上。

Description

一种负载微生物聚乙烯纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种负载微生物聚乙烯纳米复合材料的制备方法，属于聚乙烯复合材料制备技术领域。
背景技术
纳米复合材料是一种新型材料，是有机填充物或无机填充物以纳米尺寸分散在高聚物基体中形成的有机/无机纳米复合材料。它利用高分子的复合稳定作用将纳米粒子分散于高聚物基体中，由于纳米粒子的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、
表面与界面效应等的存在，使纳米复合材料不仅具有基体树脂和普通复合材料的共同特点，还有其自身的优点增韧增强效应、阻隔性能和新型功能材料。聚乙烯纳米复合材料作为一种新材料，受到广泛关注，但制备方法尚不完善。采用不同的制备方法制得的纳米复合材料其结构和性能有很大的差异。目前常用的制备PE纳米复合材料的方法有，机械共混法、插层复合法和溶胶一凝胶法。机械共混法将纳米粒子制成母粒与PE共混来制备PE纳米复合材料，该方法超声分散的时间过长，由于纳米分散体系的界面自由能大，纳米粒子团聚现象加剧，分散性变差。插层复合法是利用具有典型层状结构的无机化合物作为主体，将聚合物作为客体插入主体层间，制备出聚合物纳米复合材料，但由于粘土表面生成的聚乙烯链的相互纠缠使得材料的加工性能差。原位聚合法也叫在位分散法，不同于传统的原位生成法，是将经过特殊处理的纳米粒子溶于氯乙烯单体中，并使其在适宜的搅拌作用下使纳米粒子以原生态分散于单体中，再引发单体聚合，制备成纳米复合材料，但纳米离子与聚合物或是单体的亲和力较差，不利于有机物进入层间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前混合过程中由于纳米材料具有极大的表面能和大量的悬空键，与聚乙烯基体相容性差，会发生相分离或相反转，极易产生团聚，分散性差，导致材料性能大幅度降低的弊端，提供了一种用十六烷基三甲基溴化铵为有机改性剂对钠基蒙脱石进行改性制得纳米有机蒙脱石，通过利用EM菌液中的微生物对有机蒙脱石表面修饰，将改性后的纳米有机蒙脱石再与聚乙烯、丙烯酸丁酯等混合并挤出造粒制得复合材料，以达到解决纳米分散体系易团聚，与聚合物相容性差的目的。本发明制备步骤简单，制备过程中纳米粒子分散性好，所得产品易加工。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）称取15～20g钠基蒙脱石，研磨、过筛得100～150目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡2～3天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散8～10min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至80～85℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为4.5～5.0；
（2）上述pH调节后，边搅拌边加入3～4g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应4～5h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在6000～8000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗5～6次，真空抽滤后放入70～80℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；
（3）将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置5～8h，将所得溶胶升温至65～70℃，向其中加入溶胶质量1.5～2.0倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合30～40min后，向混合液中分别加入10～15mLEM菌液，在温度为27～35℃，转速为100～120r/min下恒温振荡培养20～30h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在55～65℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；
（4）按重量份数计，分别选取80～90份聚乙烯，3～5份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，2～4份丙烯酸丁酯，2～4份腐殖酸，0.5～1.2份硬脂酸锌和1～3份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为120～160℃，二区温度150～180℃，三区温度180～220℃，四区温度200～230℃，螺杆转速为120～150r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。
本发明制得的负载微生物聚乙烯纳米复合材料热导率可为1500～3000W/mK，断裂伸长率为560～600%，拉伸强度为46.5～62.7MPa，冲击强度为650～680J/m，弯曲强度为58.6～80.5MPa。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明制备步骤简单，利用微生物对纳米粒子表面改性，可以降低纳米粒子大量的悬空键，使制备过程中纳米粒子分散性好，不易团聚；
（2）纳米体系与聚合物亲和力好，所得产品易加工，拉伸强度、弯曲强度分别提高了25.3%以上和28.6%以上。
具体实施方式
首先称取15～20g钠基蒙脱石，研磨、过筛得100～150目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡2～3天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散8～10min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至80～85℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为4.5～5.0；上述pH调节后，边搅拌边加入3～4g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应4～5h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在6000～8000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗5～6次，真空抽滤后放入70～80℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置5～8h，将所得溶胶升温至65～70℃，向其中加入溶胶质量1.5～2.0倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合30～40min后，向混合液中分别加入10～15mLEM菌液，在温度为27～35℃，转速为100～120r/min下恒温振荡培养20～30h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在55～65℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；再按重量份数计，分别选取80～90份聚乙烯，3～5份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，2～4份丙烯酸丁酯，2～4份腐殖酸，0.5～1.2份硬脂酸锌和1～3份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为120～160℃，二区温度150～180℃，三区温度180～220℃，四区温度200～230℃，螺杆转速为120～150r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。
实例1
首先称取15g钠基蒙脱石，研磨、过筛得100目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡2天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散8min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至80℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为4.5；上述pH调节后，边搅拌边加入3g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应4h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在6000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗5次，真空抽滤后放入70℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置5h，将所得溶胶升温至65℃，向其中加入溶胶质量1.5倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合30min后，向混合液中分别加入10mLEM菌液，在温度为27℃，转速为100r/min下恒温振荡培养20h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在55℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；再按重量份数计，分别选取80份聚乙烯，3份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，2份丙烯酸丁酯，2份腐殖酸，0.5份硬脂酸锌和1份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为120℃，二区温度150℃，三区温度180℃，四区温度200℃，螺杆转速为120r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。本发明制备步骤简单，制备过程中纳米粒子分散性好，不易团聚；纳米体系与聚合物亲和力好，所得产品易加工，拉伸强度、弯曲强度分别提高了25.4%和28.7%；制得的负载微生物纳米有机蒙脱石/聚乙烯复合材料热导率可为1500W/mK，断裂伸长率为560%，拉伸强度为46.5MPa，冲击强度为650J/m，弯曲强度为58.6MPa。
实例2
首先称取18g钠基蒙脱石，研磨、过筛得125目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡3天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散9min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至83℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为4.8；上述pH调节后，边搅拌边加入4g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应5h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在7000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗6次，真空抽滤后放入75℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置6h，将所得溶胶升温至67℃，向其中加入溶胶质量1.7倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合35min后，向混合液中分别加入13mLEM菌液，在温度为30℃，转速为110r/min下恒温振荡培养25h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在60℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；再按重量份数计，分别选取85份聚乙烯，4份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，3份丙烯酸丁酯，3份腐殖酸，0.8份硬脂酸锌和2份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为140℃，二区温度165℃，三区温度200℃，四区温度215℃，螺杆转速为135r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。本发明制备步骤简单，制备过程中纳米粒子分散性好，不易团聚；纳米体系与聚合物亲和力好，所得产品易加工，拉伸强度、弯曲强度分别提高了25.9%和29.2%；制得的负载微生物纳米有机蒙脱石/聚乙烯复合材料热导率可为2200W/mK，断裂伸长率为580%，拉伸强度为54.5MPa，冲击强度为665J/m，弯曲强度为69.5MPa。
实例3
首先称取20g钠基蒙脱石，研磨、过筛得150目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡3天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散10min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至85℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为5.0；上述pH调节后，边搅拌边加入4g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应5h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在8000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗6次，真空抽滤后放入80℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置8h，将所得溶胶升温至70℃，向其中加入溶胶质量2.0倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合40min后，向混合液中分别加入15mLEM菌液，在温度为35℃，转速为120r/min下恒温振荡培养30h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在65℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；再按重量份数计，分别选取90份聚乙烯，5份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，4份丙烯酸丁酯，4份腐殖酸，1.2份硬脂酸锌和3份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为160℃，二区温度180℃，三区温度220℃，四区温度230℃，螺杆转速为150r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。本发明制备步骤简单，制备过程中纳米粒子分散性好，不易团聚；纳米体系与聚合物亲和力好，所得产品易加工，拉伸强度、弯曲强度分别提高了27.2%和30.2%；制得的负载微生物纳米有机蒙脱石/聚乙烯复合材料热导率可为3000W/mK，断裂伸长率为600%，拉伸强度为62.7MPa，冲击强度为680J/m，弯曲强度为80.5MPa。

Claims (1)

1.一种负载微生物聚乙烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取15～20g钠基蒙脱石，研磨、过筛得100～150目钠基蒙脱石粉末，将蒙脱石粉末按固液比1:6与蒸馏水混合，浸泡2～3天，浸泡后放入超声分散仪中超声分散8～10min，得钠基蒙脱石悬浮液，将其水浴加热升温至80～85℃，并用质量分数为20%盐酸溶液调节pH值为4.5～5.0；
（2）上述pH调节后，边搅拌边加入3～4g十六烷基三甲基溴化铵有机改性剂，搅拌反应4～5h，将反应后的悬浮液过400目筛，将过筛后的悬浮液在6000～8000r/min转速下离心分离得沉淀物，并将沉淀物用去离子水清洗5～6次，真空抽滤后放入70～80℃下烘干，得纳米有机蒙脱石；
（3）将上述制备得的纳米有机蒙脱石按固液比1:8与质量分数90%乙醇溶液混合，搅拌均匀后静置5～8h，将所得溶胶升温至65～70℃，向其中加入溶胶质量1.5～2.0倍的质量分数50%蔗糖溶液，搅拌混合30～40min后，向混合液中分别加入10～15mLEM菌液，在温度为27～35℃，转速为100～120r/min下恒温振荡培养20～30h，培养后离心分离得沉淀物，用清水冲洗去除蔗糖，并放入烘箱中在55～65℃下烘干，得负载微生物纳米有机蒙脱石；
（4）按重量份数计，分别选取80～90份聚乙烯，3～5份上述负载微生物纳米有机蒙脱石，2～4份丙烯酸丁酯，2～4份腐殖酸，0.5～1.2份硬脂酸锌和1～3份导电炭黑，混合后加入双螺杆挤出机中，设置挤出机一区温度为120～160℃，二区温度150～180℃，三区温度180～220℃，四区温度200～230℃，螺杆转速为120～150r/min，进行挤出造粒，即制得复合材料。
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