CN107868461A - 一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法，包括以下重量份原材料制备得到：55‑70份的聚醚砜、5‑15份的纳米氢氧化铝、5‑10份的改性剂、20‑35份的聚四氟乙烯、0.3‑0.8份的偶联剂、2‑5份的交联剂、5‑10份的二甲基丙烯酸锌、3‑8份的硬脂酸锌；本发明将经过针对性改性处理的纳米氢氧化铝与聚醚砜进行复合，并使纳米氢氧化铝均匀分散在聚醚砜体系中，得到的聚醚砜复合材料耐高温性能优异，有利于聚醚砜在更多领域中的应用。

Description

一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及改性材料领域，具体涉及一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法。
背景技术
聚醚砜是由4,4'-双磺酰氯二苯醚在无水氯化铁催化下，与二苯醚缩合制得，是非晶态聚合物，是一种热塑性工程塑料。由于具有耐热性、耐热水性、抗蠕变性、尺寸稳定性、耐冲击性、耐化学药品性、无毒、阻燃等优异的综合性能，所以长期在电子、电器、 机械、汽车、医疗器具、食品加工及不沾涂料等领域得到广泛的应用。
随着人们对材料耐高温性能要求的不断提高，未经耐高温改性的聚醚砜已难以满足需求，因而，对聚醚砜进行耐高温改性成为必要。现今对聚醚砜的耐高温改性处理方法种类繁多，改性效果也很好，尤其是随着纳米材料的出现和应用，聚醚砜的耐高温性增加效果显著，使聚醚砜能在更多领域大量使用，但也存在不足。纳米材料虽然具有耐高温增强效果好，添加量小的优点，但也存在分散困难，成本高等缺陷。在进行耐高温改性过程中，纳米材料分散不均会影响其耐高温效果，得到的改性材料耐高温性偏低，对改性材料的生产和应用造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有聚醚砜复合材料耐高温性较差的缺陷，提供一种耐高温聚醚砜复合材料及其制备方法；本发明将经过针对性改性处理的纳米氢氧化铝与聚醚砜进行复合，并使纳米氢氧化铝均匀分散在聚醚砜体系中，得到的聚醚砜复合材料耐高温性能优异，有利于聚醚砜在更多领域中的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种耐高温聚醚砜复合材料，包括以下重量份原材料制备得到：55-70份的聚醚砜、5-15份的纳米氢氧化铝、5-10份的改性剂、20-35份的聚四氟乙烯、0.3-0.8份的偶联剂、2-5份的交联剂、5-10份的二甲基丙烯酸锌、3-8份的硬脂酸锌。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，根据纳米氢氧化铝和交联能增加树脂材料耐高温性的基本原理，不仅通过针对性的筛选改性剂、偶联剂和交联剂的种类，来提高纳米氢氧化铝与聚醚砜之间的相容性，并使纳米氢氧化铝在聚醚砜中分散更均匀，使纳米氢氧化铝对聚醚砜的耐高温性增强作用更好，还通过控制聚醚砜的聚合度来使改性后的聚醚砜复合材料在耐高温性与加工性之间达到最佳平衡关系，从而使得到的聚醚砜复合材料在具有优异的耐高温性的条件下，也具有优异的加工性，使其可以在更多领域中得到应用。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，其中，所述的纳米氢氧化铝粒径为10-80nm；纳米氢氧化铝粒径越小，分散性越差，纳米氢氧化铝粒径越大，对聚醚砜的耐高温增强作用越差；优选的，所述的纳米氢氧化铝粒径为30-50nm；最优选的，所述的纳米氢氧化铝粒径为40nm。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，其中，所述的改性剂为钛酸四丁酯与硫醇甲基锡组成的混合物；所述的改性剂既能改善纳米氢氧化铝与聚醚砜的相容性，又能在纳米氢氧化铝表面形成极性基团，利于分散；优选的，所述的改性剂中钛酸四丁酯与硫醇甲基锡的物质的量之比为1︰1。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，其中，聚四氟乙烯的聚合度越大，则交联后聚醚砜复合材料的耐高温性越差，加工性越好，聚四氟乙烯的聚合物越小，则交联后聚醚砜复合材料的耐高温性越好，加工性越差，因此，选择合理的聚四氟乙烯聚合度，是平衡耐高温性和加工性的重要手段。所述的聚四氟乙烯的聚合度为180-250；优选的，所述的聚四氟乙烯的聚合度为200-230；最优的，所述的聚四氟乙烯的聚合度为210；通过优选，得到的聚醚砜复合材料既具有优异的耐高温性，也具有较好的加工性，适合在更多领域中的应用。
其中，所述的聚醚砜聚合度为1200-1800；优选的，所述聚醚砜的聚合度为1400-1600；最优选的，所述的聚醚砜的聚合度为1500；通过优选，得到的聚醚砜复合材料既具有优异的耐高温性，也具有较好的加工性。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，其中，所述的偶联剂为铝酸三异丙酯偶联剂；铝酸三异丙酯能增加纳米氢氧化铝与聚醚砜以及改性剂之间的相容性，提高聚醚砜复合材料的性能。
其中，所述的交联剂为对甲苯磺酰氯，该交联剂能将两种不同聚合度的聚合物原材料适当交联，提高聚醚砜复合材料的耐高温性。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料，其中，其原材料还包括分散剂、增塑剂、抗静电剂、染色剂、増亮剂中的一种或多种助剂；上述的助剂能提高聚醚砜复合材料的加工性，增加其功能性等作用，从而增加其适用性。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明还提供了一种耐高温聚醚砜复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米氢氧化铝用偶联剂进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用改性剂进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与聚醚砜混合均匀后在电场中进行复合处理，得到混合料；
（4）将混合料与聚四氟乙烯、交联剂、硬脂酸锌、二甲基丙烯酸锌混合均匀后在进行复合处理，得到耐高温聚醚砜复合材料。
一种耐高温聚醚砜复合材料的制备方法，先用偶联剂对纳米氢氧化铝进行偶联处理，增加纳米氢氧化铝与改性剂、聚醚砜的相容性；再用改性剂对纳米氢氧化铝进行改性处理，并在其表面形成极性基团；最后利用外电场使纳米氢氧化铝表面和聚醚砜链中的极性基团极化，带电，通过电荷间的相斥或相吸的原理，使纳米氢氧化铝均匀分散的同时，也能与聚醚砜链上的极性基团键接，从而使纳米氢氧化铝的耐高温增强效果得到最大程度的体现，使得到的改性聚醚砜耐高温性显著提高；该制备方法简单可靠，适合用于耐高温聚醚砜复合材料的大规模、工业化生产。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料的制备方法，其中，优选的，步骤1进行偶联处理过程中可采用超声波辅助；通过超声波的高速震荡，使纳米氢氧化铝分散性更好，且对偶联处理具有促进作用。
上述一种耐高温聚醚砜复合材料的制备方法，其中，步骤3中所述的电场能对基团产生极化作用，使基团带电，从而能促进纳米氢氧化铝的分散和键接作用，提高改性聚醚砜的耐高温性。
优选的，所述的电场强度为1.5-2.5kv/m；电场强度过小，极化效果弱，对纳米氢氧化铝的分散效果差；电场强度过大，极化效果太强，分子间作用力太大，分子链产生定向移动，对分子链的排列和键接产生影响，可能降低聚醚砜复合材料的性能；最优选的，所述的电场强度为1.8-2.0kv/m。
其中，优选的，所述的电场为电场方向不变的平行电场；电场方向不变的平行电场对极性基团的极化效果最好，基团间作用力稳定，对纳米氢氧化铝的分散和键接的促进作用效果最佳。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明聚醚砜复合材料针对性的筛选改性剂、偶联剂和交联剂的种类，使纳米氢氧化铝与聚醚砜之间的相容性更好，在聚醚砜中的分散性更好，纳米氢氧化铝对聚醚砜的耐高温性增强作用更好。
2、本发明聚醚砜复合材料通过控制聚醚砜和聚四氟乙烯的聚合度来使改性后的聚醚砜复合材料在耐高温性与加工性之间达到最佳平衡关系，使得到的聚醚砜复合材料在具有优异的耐高温性的条件下，也具有优异的加工性。
3、本发明聚醚砜复合材料的制备方法，利用外电场的极化作用，能促进纳米氢氧化铝在聚醚砜体系中的分散和键接，纳米氢氧化铝的耐高温增强效果更好，得到的聚醚砜复合材料的耐高温性更高。
4、本发明聚醚砜复合材料的制备方法简单、可靠，适合耐高温聚醚砜复合材料的大规模、工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用3.5份的钛酸四丁酯与3.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与60份的聚合度为1500的聚醚砜混合均匀后在电场强度为2.0kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到混合料；
（4）将步骤3得到的混合料与28份的聚合度为210的聚四氟乙烯、4份对甲苯磺酰氯、8份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到耐高温聚醚砜复合材料。
实施例2
（1）将5份的纳米氢氧化铝用0.3份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用2.5份的钛酸四丁酯与2.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与55份的聚合度为1200的聚醚砜混合均匀后在在电场强度为2.5kv/m的电场中进行挤出，得到混合料；
（4）将步骤3得到的混合料与20份的聚合度为180的聚四氟乙烯、2份对甲苯磺酰氯、5份的二甲基丙烯酸锌、3份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到耐高温聚醚砜复合材料。
实施例3
（1）将15份的纳米氢氧化铝用0.8份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用5份的钛酸四丁酯与4份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与70份的聚合度为1600的聚醚砜混合均匀后在在电场强度为1.5kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到混合料；
（4）将步骤3得到的混合料与35份的聚合度为250的聚四氟乙烯、5份对甲苯磺酰氯、10份的二甲基丙烯酸锌、8份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到耐高温聚醚砜复合材料。
对比例1
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝与7份的分散剂、60份的聚合度为1500的聚醚砜混合均匀后在电场强度为1.2kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到混合料；
（3）将步骤2得到的混合料与28份的聚合度为210的聚四氟乙烯、4份对甲苯磺酰氯、8份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到聚醚砜复合材料。
对比例2
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用3.5份的钛酸四丁酯与3.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与60份的聚合度为1500的聚醚砜、28份的聚合度为210的聚四氟乙烯、4份对甲苯磺酰氯、8份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到聚醚砜复合材料。
对比例3
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用3.5份的聚苯乙烯与3.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与60份的聚合度为1500的聚醚砜混合均匀后在电场强度为2.0kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到混合料；
（4）将步骤3得到的混合料与28份的聚合度为210的聚四氟乙烯、4份对甲苯磺酰氯、8份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌混合均匀后进行挤出，得到聚醚砜复合材料。
对比例4
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用3.5份的钛酸四丁酯与3.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与28份的聚合度为210的聚四氟乙烯、4份对甲苯磺酰氯、8份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌、60份的聚合度为1500的聚醚砜混合均匀后在电场强度为2.0kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到聚醚砜复合材料。
对比例5
（1）将10份的纳米氢氧化铝用0.6份的铝酸三异丙酯进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用3.5份的钛酸四丁酯与3.5份的硫醇甲基锡进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与60份的聚合度为1000的聚醚砜混合均匀后在电场强度为2.0kv/m的电场方向不变的平行电场中进行挤出，得到混合料；
（4）将步骤3得到的混合料与28份的聚合度为150的聚四氟乙烯、4份的二甲基丙烯酸锌、5份的硬脂酸锌、8份对甲苯磺酰氯混合均匀后进行挤出，得到聚醚砜复合材料。
将上述实施例1-3和对比例1-5中的聚醚砜复合材料，进行性能检测，记录数据如下：
性能 热变形温度（℃） 加工性
实施例1 232 ++++
实施例2 232 ++++
实施例3 231 ++++
对比例1 222 ++++
对比例2 223 ++++
对比例3 227 ++++
对比例4 228 ++++
对比例5 231 ++
聚醚砜 210 +++
注：“+”越多，说明性能越好。
对上述实验数据分析可知，实施例1-3中制备得到的本发明耐高温聚醚砜复合材料，纳米氢氧化铝分散均匀，与聚醚砜的相容性好，聚醚砜复合材料耐高温性好，加工性好；而对比例1中，未使用改性剂对纳米氢氧化铝进行改性处理，尽管加入了分散剂，但纳米氢氧化铝分散效果差，与聚醚砜的相容性差，聚醚砜复合材料的耐高温性显著降低；对比例2中未在电场中进行复合处理，纳米氢氧化铝分散效果差，聚醚砜复合材料的耐高温性显著降低；对比例3中改性剂不是本申请所规定的，纳米氢氧化铝分散效果差，聚醚砜复合材料的耐高温性显著降低；对比例4中交联反应同样在电场中进行，电场对交联反应产生不利影响，使得到的聚醚砜复合材料的耐高温性降低；对比例5中使用的聚醚砜和聚四氟乙烯聚合度过小，复合后虽然耐高温性有所增加，但其加工性显著降低，不利于聚醚砜复合材料的应用。

Claims (10)

1.一种耐高温聚醚砜复合材料，其特征在于，包括以下重量份原材料制备得到：55-70份的聚醚砜、5-15份的纳米氢氧化铝、5-10份的改性剂、20-35份的聚四氟乙烯、0.3-0.8份的偶联剂、2-5份的交联剂、5-10份的二甲基丙烯酸锌、3-8份的硬脂酸锌；所述改性剂为钛酸四丁酯与硫醇甲基锡组成的混合物；所述偶联剂为铝酸三异丙酯偶联剂，所述交联剂为对甲苯磺酰氯；所述聚四氟乙烯的聚合度为180-250；所述聚醚砜聚合度为1200-1800。
2.根据权利要求1所述的聚醚砜复合材料，其特征在于，所述改性剂中钛酸四丁酯与硫醇甲基锡的物质的量之比为1︰1。
3.根据权利要求1所述的聚醚砜复合材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的聚合度为200-230。
4.根据权利要求3所述的聚醚砜复合材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的聚合度为210。
5.根据权利要求1所述的聚醚砜复合材料，其特征在于，所述聚醚砜聚合度为1400-1600。
6.根据权利要求5所述的聚醚砜复合材料，其特征在于，所述聚醚砜聚合度为1500。
7.一种如权利要求1-6所述聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将纳米氢氧化铝用偶联剂进行处理；
（2）将经过偶联剂处理的纳米氢氧化铝用改性剂进行包覆处理；
（3）将包覆后的纳米氢氧化铝与聚醚砜混合均匀后在电场中进行复合处理，得到混合料；
（4）将混合料与聚四氟乙烯、交联剂、硬脂酸锌、二甲基丙烯酸锌混合均匀后在进行复合处理，得到耐高温聚醚砜复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中电场强度为1.5-2.5kv/m。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中电场强度为1.8-2.0kv/m。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中电场为电场方向不变的平行电场。
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