CN106977914A - 一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，属于塑料改性领域。尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料由尼龙6、聚丙烯、石墨烯和增容剂PP‑g‑MAH组成，该复合材料是利用石墨烯/PA6纳米复合材料与聚丙烯进行熔融共混挤出制得，该石墨烯/PA6纳米复合材料是由改性石墨烯与己内酰胺原位聚合得到。本发明所制备得到的尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料具有超高的韧性与强度，同时具有更优异的抗紫外老化性、阻燃性、耐热性、防水性等性能，拓展了尼龙6/聚丙烯复合材料在更高端领域的应用前景。

Description

一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于塑料改性领域，具体涉及一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
尼龙6(PA6)是一种性能优异的工程塑料，具有良好的综合性能，广泛应用于汽车、电子电气、机械、兵器和建筑等领域。但因其高的吸水性而造成制品的尺寸稳定性较差，力学性能下降又限制了它的更广泛应用。聚丙烯(PP)力学性能好，耐油性及耐化学品优良、易加工、几乎不吸水、产量大、价格低廉，与P尼龙6有好的互补性。尼龙6与聚丙烯共混可以降低材料的吸水率，对力学性能和耐热性能影响较小，显示出较单一高分子材料的更优越的综合性能，但在一些特殊应用领域，仍要求尼龙6/聚丙烯复合材料具有更高的性能。
一般对尼龙6/聚丙烯复合材料的改性主要利用增容剂或无机填料提高性能，但提高的程度有限，仍然不能满足一些高端领域对高性能尼龙6/聚丙烯材料的要求。石墨烯是一种具有二维晶体结构的纳米材料，由于其出众的力学性能，电学性能，热学性能和独特的电磁学性能等，石墨烯在许多领域显示出广阔的应用前景，并已逐步走向实际应用。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，已有许多报道将石墨烯与高聚物复合，可以显著提升材料的拉伸强度、模量、弯曲强度和耐热性能。由此，若能将高性能的石墨烯纳米材料应用到尼龙6/聚丙烯复合材料中，必将赋予材料更优异的综合性能。
发明内容
本发明提供了一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。
本发明的目的，是通过以下技术方案实现的：一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，其特征在于，所述材料由聚丙烯与石墨烯/PA6纳米复合材料经熔融共混挤出后得到，所述尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料由PA6和接枝有PA6的单层石墨烯组成，所述接枝有PA6的单层石墨烯的横向尺寸大于3微米；石墨烯的质量与PA6的总质量之比为0.1-1:100。
进一步地，所述石墨烯/PA6纳米复合材料的通过如下步骤制备得到：
(1)将0.1-1质量份的改性石墨烯和1-10质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300～500rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为2.5到6之间；
(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至250-220℃，在0.5-1MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/PA6纳米复合材料。
进一步地，尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的制备步骤如下：
(1)将石墨烯/PA6纳米复合材料、聚丙烯和增容剂PP-g-MAH按重量比为55～80:15～35:5～10，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(2)用双螺杆挤出机在加工温度230～250℃，转速100～150rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料。
本发明的有益效果是：
1、通过利用石墨烯/PA6纳米复合材料与聚丙烯进行复合，制备高性能尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，其有益之处在于所制备的石墨烯/PA6纳米复合材料，片层石墨烯与已内酰胺通过原位聚合的方式有效反应，使得片层的石墨烯能均匀分散在PA6基体中，利用超低石墨烯添加量就可以制备高性能石墨烯/PA6纳米复合材料母粒，再将聚合反应得到的石墨烯/PA6复合材料母粒与聚丙烯混合，能够妥善解决石墨烯在复合材料中的分散问题，进而提高复合材料综合性能。
2、将石墨烯加入到尼龙6/聚丙烯复合材料中制备尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，石墨烯不但提高了复合材料的力学性能，同时也能赋予材料更高的耐热性，抗紫外老化性、阻燃性、防水性等综合性能。
3、高性能尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料通过熔融共混挤出的方式加工，该方法操作工艺简单，无溶剂污染，生产效率高，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明石墨烯/PA6纳米复合材料的局部结构示意图，其中1为接枝有PA6的单层石墨烯片，2为游离的PA6。
具体实施方式
本发明首先采用原位聚合法制备超低石墨烯添加量的高性能石墨烯/PA6纳米复合材料，制备过程中，选用单层的、横向尺寸大于3μm、碳氧比为2.5～6之间的改性石墨烯。通过大量实验，得出以下结论：(1)石墨烯性能与层数密切相关，多层石墨烯的性能均劣于单层石墨烯。(2)石墨烯横向尺寸对聚合物性能影响也较大，横向尺寸太小不利于提高复合材料机械性能，然而，横向尺寸过大太大则会大幅增加复合材料熔体粘度，不利于成型加工，因此，本发明优选了横向尺寸小于80um的石墨烯；(3)碳氧比太低说明石墨烯氧化缺陷太多，石墨烯自身机械性能差，对复合材料各方面综合性能提升有限。另一方面碳氧比太低，说明石墨烯上有大量羧基，而羧基也会导致聚合物分子量下降；而相反碳氧比过高也会使得石墨烯分散性较差，在聚合物基体中出现聚集现象。本发明制备得到的石墨烯/PA6纳米复合材料，由游离的PA6和接枝有PA6的单层石墨烯片组成，结构如图1所示。片层石墨烯与已内酰胺通过原位聚合的方式有效反应，使得片层的石墨烯能均匀分散在PA6基体中，利用超低石墨烯添加量就可以制备高性能石墨烯/PA6纳米复合材料母粒，再将聚合反应得到的石墨烯/PA6复合材料母粒与聚丙烯熔融共混挤出制备尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，能够妥善解决石墨烯在复合材料中的分散问题，进而更有效的提高复合材料综合性能。
本发明的制备的尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料采用ASTM标准注塑，注塑机在240～260℃条件下注塑成型，注塑前将各原料在105℃干燥4h处理。
机械性能测试方法：
1、拉伸性能：按GB/T1040-2006标准测试，拉伸速度为50mm/min；
2、弯曲性能：按CB/T9341-2008标准测试，弯曲速度为2mm/min；
3、悬臂梁缺口冲击强度：按GB/T1843-2008标准测试。
试样成型后在温度为23±2℃，湿度为50±5％的标准环境中放置88h后测试，测试环境为温度为23±2℃，湿度为50±5％。
下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整均属本发明的保护范围。
实施例1
(1)将0.1质量份横向尺寸大于3μm的改性石墨烯和1质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为2.5；
(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至250℃，在0.5MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/PA6纳米复合材料。
(3)将石墨烯/PA6纳米复合材料、聚丙烯和增容剂PP-g-MAH按重量比为80:15:5，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(4)用双螺杆挤出机在熔融温度240℃，转速120rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料。
将熔融共混后的复合材料用注塑机注塑成标准测试样条进行力学性能测试，注塑参数设置如下：喷嘴温度250℃，筒头温度250℃，筒前温度250℃，筒中温度240℃，筒后温度230℃，注塑压力150MPa。性能测试数据见表1。
实施例2
(1)将1质量份横向尺寸大于3μm的的改性石墨烯和10质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为6；
(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至220℃，在1MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/PA6纳米复合材料。
(3)将石墨烯/PA6纳米复合材料、聚丙烯和增容剂PP-g-MAH按重量比为60:35:5，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(4)用双螺杆挤出机在熔融温度240℃，转速120rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料。
将熔融共混后的复合材料用注塑机注塑成标准测试样条进行力学性能测试，注塑参数设置如下：喷嘴温度250℃，筒头温度250℃，筒前温度250℃，筒中温度240℃，筒后温度230℃，注塑压力150MPa。性能测试数据见表1。
实施例3
(1)将1质量份横向尺寸为3μm的的改性石墨烯和10质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为6；
(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至250℃，在0.2MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/PA6纳米复合材料。
(3)将石墨烯/PA6纳米复合材料、聚丙烯和增容剂PP-g-MAH按重量比为55:35:10，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(4)用双螺杆挤出机在熔融温度240℃，转速120rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料。
将熔融共混后的复合材料用注塑机注塑成标准测试样条进行力学性能测试，注塑参数设置如下：喷嘴温度250℃，筒头温度250℃，筒前温度250℃，筒中温度240℃，筒后温度230℃，注塑压力150MPa。性能测试数据见表1。
对比例
(1)将尼龙6、聚丙烯和PP-g-MAH按重量比为60:35:5，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(4)用双螺杆挤出机在熔融温度240℃，转速150rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯复合材料。
将熔融共混后的复合材料用注塑机注塑成标准测试样条进行力学性能测试，注塑参数设置如下：喷嘴温度250℃，筒头温度250℃，筒前温度250℃，筒中温度240℃，筒后温度230℃，注塑压力150MPa。性能测试数据见表1。
表1复合材料的性能测试数据
由表1可见，尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的拉伸强度、杨氏模量及缺口冲击强度都较未改性的尼龙6/聚丙烯复合材料有明显的提高，同时石墨烯还能赋予材料更优异的抗紫外老化性、阻燃性、耐热性及防水性能等，能够满足一些高端领域对尼龙6/聚丙烯复合材料提出的高性能要求，开发尼龙6/聚丙烯复合材料潜在的市场应用价值。

Claims (3)

1.一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，其特征在于，所述材料由聚丙烯与石墨烯/PA6纳米复合材料经熔融共混挤出后得到，所述石墨烯/PA6纳米复合物材料由PA6和接枝有PA6的单层石墨烯组成，所述接枝有PA6的单层石墨烯的横向尺寸大于3微米；石墨烯的质量与PA6的总质量之比为0.1-1:100。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述石墨烯/PA6纳米复合物通过如下步骤制备得到：
(1)将0.1-1质量份的改性石墨烯和1-10质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300～500rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为2.5到6之间；
(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至250-220℃，在0.5-1MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/PA6纳米复合材料。
3.一种尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：
(1)将石墨烯/PA6纳米复合材料、聚丙烯和增容剂PP-g-MAH按重量比为55～80:15～35:5～10，在混合机中预混，得到混合均匀的预混料；
(2)用双螺杆挤出机在加工温度230～250℃，转速100～150rpm的条件下熔融共混挤出，冷却，造粒，制得尼龙6/聚丙烯/石墨烯纳米复合材料。
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