CN107629446A - 一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，采用碳纤维制备条带状氧化石墨烯，再使用氨基磺酸铵改性，制备出改性的条带状氧化石墨烯，将改性后的条带状氧化石墨烯加入到尼龙原料中，并使用常规熔融共混法制备出尼龙复合材料。改性的条带状氧化石墨烯可以在不改变加工性能的条件下，显著增强尼龙材料的力学性能，同时氧化石墨烯极强的阻隔作用，降低氧气进入基材和基材受热后可燃气体溢出，协同氨基磺酸铵可以显著提高尼龙的阻燃性能。

Description

一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及塑料材料领域，尤其涉及一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法。

背景技术

尼龙是通用工程塑料中产量最大、品种最多、应用最广、性能优良的基础材料。尼龙具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。但由于尼龙的酰基和水分子之间容易形成氢键，因此有较大的吸水性，造成产品尺寸稳定性差，但吸湿性大,制品尺寸稳定性差,强度与硬度也远远不如金属。

石墨烯具有较高强度与柔韧性，可以用于增强尼龙力学性能，克服尼龙材料的上述缺陷，但石墨烯一般为圆片状，直径数百纳米，尺寸较小，而且表面无活性基团，导致其在尼龙中的分散性极差，降低了其所起作用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，旨在解决现有技术采用石墨烯对尼龙材料进行改性时，石墨烯在尼龙材料中分散性差，对尼龙材料的力学性能提升有限的问题。

本发明的技术方案如下：

一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，包括步骤：

将碳纤维置于真空或惰性气体保护气氛中热处理并拉伸，得到拉伸的碳纤维；

将所述拉伸的碳纤维加入浓硫酸和高铁酸钾混合溶液中，在50-70℃的条件下反应24-48h，得到条带状氧化石墨烯；

将所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵加入去离子水中，在70-100℃的条件下加热4-6h，得到改性条带状氧化石墨烯；

将尼龙原料与所述改性条带状氧化石墨烯分散混合，依次经过熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述碳纤维未经过表面处理且不含保护层，碳含量大于或等于95%。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述热处理温度为2500-3000℃，热处理时间为4-7h。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述浓硫酸和高铁酸钾的比例为100ml：10-50g。

所述的制备方法，其中，所述条带状氧化石墨烯长度为1-500μm，宽度为0.1-2μm，层数为1-10层。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述将碳纤维置于真空或惰性气体保护气氛中热处理，并拉伸，拉伸幅度为所述碳纤维尺寸的0.5-1.5%。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵的比例为100g：10-20g。

所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其中，所述尼龙原料和改性条带状氧化石墨烯的比例为100g：1-5g。

有益效果：本发明采用高温对碳纤维进行热处理并对其进行拉伸，将拉伸后的碳纤维进一步反应制备出条带状氧化石墨烯，其长度1-500μm，宽度0.1-2μm，相对于圆片状石墨烯可显著提高尼龙的力学性能，采用氨基磺酸铵对所述条带状氧化石墨烯进行进一步改性，可以增加氧化石墨烯在尼龙中的分散效果，进一步提尼龙高复合材料的力学性能。

附图说明

图1为本发明所述条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法的流程图，如图所示，其包括步骤：

S1、将碳纤维置于真空或惰性气体保护气氛中热处理并拉伸，得到拉伸的碳纤维；

S2、将所述拉伸的碳纤维加入浓硫酸和高铁酸钾混合溶液中，在50-70℃的条件下反应24-48h，得到条带状氧化石墨烯；

S3、将所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵加入去离子水中，在70-100℃的条件下加热4-6h，得到改性条带状氧化石墨烯；

S4、将尼龙原料与所述改性条带状氧化石墨烯分散混合，依次经过熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

具体来说，现有技术中尼龙材料因其自身所含有的酰基和水分子之间容易形成氢键，因此具有较大的吸水性，造成产品尺寸稳定性差，整体的力学性能也较差，在采用石墨烯对尼龙材料进行改性时，由于石墨烯无表面活性基团，而且粒径较小，加入到尼龙材料中，因分散性差，对尼龙材料的力学性能提升有限。

为解决上述问题，本发明采用高温对碳纤维进行热处理并对其进行拉伸，将拉伸后的碳纤维加入到浓硫酸和高铁酸钾混合液中进行进一步反应，得到条带状氧化石墨烯，使用氨基磺酸铵对条带状氧化石墨烯进行改性，将改性后的条带状氧化石墨烯加入到尼龙原料中，相对于圆片状石墨烯可显著提高尼龙的力学性能。

进一步，本发明所述步骤S1中所述碳纤维未经过表面处理且不含保护层，碳含量大于或等于95%。

具体地，采用的碳纤维为表面未经处理的，因为如果采用了表面经过处理的碳纤维作为原料，一方面增加了生产成本，另一方，无论采用那种表面处理方法均会对碳纤维的表面造成影响，还会引进部分杂质。

进一步，本发明实施例中的步骤S1中用于高温热处理的温度为2500-3000℃，处理时间为4-7h，拉伸后的碳纤维拉伸幅度为所述碳纤维尺寸的0.5-1.5%，例如，本发明优选实施例的所述步骤S1中用于高温处理的温度为2700℃，处理时间为5h，拉伸后的碳纤维拉伸幅度为所述碳纤维尺寸的1%。

本发明实施例中高温处理时采用温度为2700℃，处理时间为5h，拉伸后的碳纤维拉伸幅度为所述碳纤维尺寸的1%。能够使碳纤维充分的石墨化，对其进行拉伸操作。热处理温度过低，处理时间过短，均不利于碳纤维的石墨化，热处理温度过高，处理时间过长，会导致碳纤维熔化失重。

进一步，本发明实施例中的步骤S2中所述浓硫酸和高铁酸钾的比例为100ml：10-50g。

具体来说，本发明实施例中的为了将拉伸后的碳纤维进行氧化剥离成石墨烯，可以将其加入到低温配制的浓硫酸和高铁酸钾混合液中，进行表面处理。其中，配制浓硫酸和高铁酸钾混合液时的温度控制在3-6℃，浓硫酸和高铁酸钾的比例为100ml：10-50g。

进一步，本发明实施例中的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料，其中所含条带状石墨烯的长度为1-500μm，宽度为0.1-2μm，层数为1-10层。

具体来说，本发明实施例中的为了提高条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的整体性能，其中所含条带状石墨烯的长度优选为450μm，优选宽度为0.9μm，优选层数为5层。

进一步，本发明实施例中的步骤S3中所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵的比例为100g：10-20g，例如本发明优选实施例中所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵的比例为100g：15g，可以使反应物完全参加反应。

进一步，本发明实施例中的步骤S4中，所述尼龙原料和改性条带状氧化石墨烯的比例为100g：1-5g。例如本发明优选实施例中所述尼龙和改性条带状氧化石墨烯的比例为100g：2.5g。

尼龙和改性条带状氧化石墨烯的比例对尼龙复合材料的性能造成影响。若提高改性条带状氧化石墨烯的用量，降低尼龙的用量，则加工性能较差；而降低改性条带状氧化石墨烯的用量，提高尼龙的用量，则因所加入的改性条带状氧化石墨烯量少，起不到增强尼龙复合材料的力学性能。本发明中采用尼龙和改性条带状氧化石墨烯的比例为100g：1-5g，可以使改性条带状氧化石墨烯在尼龙中能均匀的分散，保持加工性能不变的前提下，使尼龙复合材料的力学性能得到显著提升。

下列通过具体实施例对本发明进一步阐释：

实施例一

采用中复神鹰SYT35型号未经过表面处理且不含保护层、碳含量为95%的碳纤维，置于真空2500℃中热处理4h，并将热处理后的碳纤维拉伸至原尺寸的0.5%，在低温3℃条件下配制100ml浓硫酸和10g高铁酸钾混合溶液，将上述拉伸后的碳纤维放入混合溶液中，50℃反应24h，将反应后的产物经过离心、水洗、烘干处理，得到条带状氧化石墨烯，将100g上述条带状氧化石墨烯和10g氨基磺酸铵加入1L去离子水中，70℃加热5h，依次经过离心、水洗、烘干处理，得到改性条带状氧化石墨烯，再将100g尼龙66、1g改性条带状氧化石墨烯，分散混合，再依次经过再熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

所制备的尼龙复合材料弯曲强度为1800MPa，拉伸强度为160MPa，燃烧热释放量为未改性的40%。

实施例二

采用中复神鹰SYT35型号未经过表面处理且不含保护层、碳含量为97%的碳纤维，置于真空2700℃中热处理5h，并将热处理后的碳纤维拉伸至原尺寸的1%，在低温4℃条件下配制100ml浓硫酸和25g高铁酸钾混合溶液，将上述拉伸后的碳纤维放入混合溶液中，60℃反应36h，将反应后的产物经过离心、水洗、烘干处理，得到条带状氧化石墨烯，将100g上述条带状氧化石墨烯和15g氨基磺酸铵加入1L去离子水中，80℃加热5h，依次经过离心、水洗、烘干处理，得到改性条带状氧化石墨烯，再将100g尼龙66、2.5g改性条带状氧化石墨烯，分散混合，再依次经过再熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

所制备的尼龙复合材料弯曲强度为2500MPa，拉伸强度为230MPa，燃烧热释放量为未改性的30%。

实施例三

采用中复神鹰SYT35型号未经过表面处理且不含保护层、碳含量为95%的碳纤维，置于真空3000℃中热处理7h，并将热处理后的碳纤维拉伸至原尺寸的1.5%，在低温6℃条件下配制100ml浓硫酸和50g高铁酸钾混合溶液，将上述拉伸后的碳纤维放入混合溶液中，70℃反应48h，将反应后的产物经过离心、水洗、烘干处理，得到条带状氧化石墨烯，将100g上述条带状氧化石墨烯和20g氨基磺酸铵加入1L去离子水中，100℃加热5h，依次经过离心、水洗、烘干处理，得到改性条带状氧化石墨烯，再将100g尼龙66、5g改性条带状氧化石墨烯，分散混合，再依次经过再熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

所制备的尼龙复合材料弯曲强度为2200MPa，拉伸强度为210MPa，燃烧热释放量为未改性的35%。

综上所述，本发明采用高温对碳纤维进行热处理并对其进行拉伸，将拉伸后的碳纤维进一步反应制备出条带状氧化石墨烯，其长度为1-500μm，宽度为0.1-2μm，相对于圆片状石墨烯可显著提高尼龙的力学性能，采用氨基磺酸铵改性氧化石墨烯，可以增加氧化石墨烯在尼龙中的分散效果，进一步提尼龙高复合材料的力学性能和阻燃性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将碳纤维置于真空或惰性气体保护气氛中热处理并拉伸，得到拉伸的碳纤维；

将所述拉伸的碳纤维加入浓硫酸和高铁酸钾混合溶液中，在50-70℃的条件下反应24-48h，得到条带状氧化石墨烯；

将所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵加入去离子水中，在70-100℃的条件下加热4-6h，得到改性条带状氧化石墨烯；

将尼龙原料与所述改性条带状氧化石墨烯分散混合，依次经过熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒以及包装处理得到条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料。

2.据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维未经过表面处理且不含保护层，碳含量大于或等于95%。

3.根据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述热处理温度为2500-3000℃，热处理时间为4-7h。

4.根据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述浓硫酸和高铁酸钾的比例为100ml：10-50g。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述条带状氧化石墨烯长度为1-500μm，宽度为0.1-2μm，层数为1-10层。

6.根据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述将碳纤维置于真空或惰性气体保护气氛中热处理，并拉伸，拉伸幅度为所述碳纤维尺寸的0.5-1.5%。

7.根据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述条带状氧化石墨烯和氨基磺酸铵的比例为100g：10-20g。

8.根据权利要求1所述的条带状氧化石墨烯增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述尼龙原料和改性条带状氧化石墨烯的比例为100g：1-5g。