CN109265934A - 插层改性氧化石墨烯改性填料及制备pbt复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料领域，具体为插层改性氧化石墨烯填料及制备聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料的方法。插层改性氧化石墨烯有十六烷基三甲基溴化铵和/或十八胺与氧化石墨烯反应得到。聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料，以插层改性氧化石墨烯为填料，以聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂为基体，经熔融共混法制得。本发明所用聚合物基体和填料来源丰富，成本低廉。氧化石墨烯层间距经插层后明显增大，有效抑制了其团聚效应，并且界面结合强度明显提高。复合材料制备方法简单，易操作，实用性广，所得复合材料具有优异的力学性能和热性能以及导热性能。

Description

插层改性氧化石墨烯改性填料及制备PBT复合材料的方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体为插层改性氧化石墨烯填料及制备聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料的方法。
背景技术
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是一种使用广泛的热塑性树脂，具有优良的机械性能，良好的耐化学腐蚀性，高的结晶速率，易于加工成型等优良的性能，但PBT的缺口冲击强度低，导热能力等不足限制了PBT在一些领域的应用，为了拓宽其应用领域，提高PBT附加值，对其进行改性处理是目前的主要研究方向。其中，熔融共混技术简单并且适用于大规模的生产而成为PBT改性的主要手段。在PBT的熔融共混改性中，通过在PBT基体中填加纳米填料，如纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、蒙脱土等，这类传统纳米填料与PBT之间相容性差，界面结合强度低因而导致填料分散性差，需要提高填料含量才能得到性能较高的复合材料。石墨烯具有优良的力学，热学、电学以及其他功能特性，将石墨烯以及其衍生物与PBT复合以发挥其优良性能，为制备高性能PBT基复合材料提供了新思路。但由于石墨烯及其衍生物的纳米尺寸效应及高的比表面能导致其在PBT基体中极易团聚，不仅难以发挥其优异性能，还会导致基体树脂性能下降。因此探索石墨烯在PBT基体中的分散，提高其与PBT的界面结合具有重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良力学性能的聚合物基复合材料，在改善复合材料性能、拓宽其应用领域的同时，降低复合材料的生产成本。
为了达到上诉目的，本发明首先提供了三种插层改性氧化石墨烯填料。该插层改性氧化石墨烯改性填料，由氧化石墨粉经过十六烷基三甲基溴化铵或/和盐酸十八胺改性处理所得。
三种插层改性氧化石墨烯改性填料的制备方法，分别为：
1、制备十六烷基三甲基溴化铵插层改性氧化石墨烯：
配制氧化石墨粉碱性分散液，包括以下步骤：
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，十六烷基三甲基溴化铵加入氧化石墨粉碱性分散液中，将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min趁热抽滤；
然后用乙醇与蒸馏水洗涤，将滤饼放在真空干燥箱80℃下烘干得到十六烷基三甲基溴化铵插层改性的GO-C16。
2、制备十八胺插层改性氧化石墨烯，包括以下步骤：
配制氧化石墨粉碱性分散液；
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，盐酸十八胺加入氧化石墨粉碱性分散液中，将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；水浴锅升温至90℃，加入水合肼，加大搅拌速率，反应十分钟；趁热抽滤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到十八胺插层改性的GO-C18。
3、制备复合插层改性氧化石墨烯，包括以下步骤：
配制氧化石墨粉碱性分散液；
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，加入十六烷基三甲基溴化铵、盐酸十八胺中的一种，将温度升至80℃然后搅拌1h；再加入十六烷基三甲基溴化铵、盐酸十八胺中的另一种，加大转速搅拌20min，然后缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；趁热抽滤洗涤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到复合插层改性的氧化石墨烯。
其中，所述的配制氧化石墨粉碱性分散液，按照以下方法配制：配制0.05mol/L的NaOH溶液，称取0.5g氧化石墨粉，依次往容器中加入NaOH溶液和氧化石墨粉，再放入磁力转子，把容器固定在超声波清洗机上处理至充分分散。
所述的盐酸十八胺，由以下方法制备所得：50ml盐酸中加入1.0g十八胺；用水浴磁力搅拌器，并升温至70℃，再搅拌30min，搅拌的过程中滴加浓盐酸调节PH值至1-2，停止水浴，继续搅拌冷却结晶析出白色的晶体，得到结晶产物在80℃的真空干燥箱中烘干。
所述氧化石墨烯，首先采用强氧化剂将天然石墨氧化得到氧化石墨，氧化石墨再经强力超声得到氧化石墨烯；所述的强氧化剂包括浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾。
氧化石墨烯的制备方法包括以下过程：在干燥的烧杯中加入浓硫酸，用冰水浴冷却至不高于4℃，在激烈搅拌下加入的天然石墨粉和NaNO3的混合物，然后再缓慢加入KMnO4，并将反应体系的温度控制在不高于20℃，继续搅拌反应5min后将体系温度升至35±3℃，恒温搅拌30min后在激烈搅拌下加入去离子水，并将反应体系温度控制在98℃，保持15min后加入去离子水进行高温水解，最后加入H2O2中和未反应的强氧化剂，趁热抽滤并用稀盐酸和去离子水充分洗涤，在真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨；氧化石墨再经强力超声得到氧化石墨烯。
本发明还提供一种聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料，是以插层改性的氧化石墨烯为填料，以PBT树脂为基体，经熔融共混法制得，其中填料的质量份数为0.25～4份，PBT树脂的质量份数为99.75～96份。
该聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：按照配方要求将插层改性氧化石墨烯与PBT树脂颗粒混合均匀后，在混炼机上熔融共混制备PBT树脂基复合材料，熔融温度为240～245℃，共混时间为10～20min，转子转速为50r/min。
所得复合材料在平板硫化机上热压成型获得复合材料板材，热压温度为235～245℃，热压压力为10～20MPa，热压保压时间为10～15min。板材经过裁片得到哑铃状试样做拉伸测试，矩形长条试样做缺口冲击测试。
本发明所采用的的填料是插层改性氧化石墨烯。石墨烯由天然石墨经强氧化剂氧化并经强力超声分散得到。在天然石墨氧化制备氧化石墨的过程中，可以在氧化石墨的表面引入大量的极性含氧官能团(如羟基、羧基和环氧基等)，插层剂分子可以通过离子键等作用进入到氧化石墨烯的片层中，使得氧化石墨烯的层间距增大，可以抑制氧化石墨烯的团聚，从而促进其在PBT树脂基体中的分散性。同时，由于氧化石墨烯的层间距增大，在熔融共混的过程中有利于PBT分子链进入到片层之间，从而提升了填料与基体之间的界面结合强度。
具体反应原理如下：
本发明采用价格低廉、用途广泛的工程塑料聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂为基体，以插层改性氧化石墨烯为填料，采用熔融共混法制备复合材料。本发明制备工艺过程简单，复合材料中填料含量可控制在0.25～4％，获得的复合材料具有较高的力学性能和导热性能。
与现有技术相比，本发明具有如下显著特征：
(1)本发明所用的聚合物基体与填料的来源丰富，成本低廉。在技术上为了抑制填料在基体中的团聚、促进分散，增强界面结合，采用插层剂对氧化石墨烯进行插层改性，有效的抑制了氧化石墨烯的团聚，复合材料性能明显提升。
(2)本发明的复合材料制备方法简单，易操作、实用性广。
(3)本发明的复合材料具有优异的力学性能和导热性能，在满足性能要求的同时，所需填料的量较少。
附图说明
图1a为实施例GO、GO-C16C18的红外光谱图；
图1b为实施例GO-C16C18的XRD曲线；
图2a为实施例三种插层改性填料的复合材料拉伸性能；
图2b为实施例三种插层改性填料的复合材料冲击性能；
图3为实施例GO-C16C18不同含量下复合材料的拉伸与冲击性能；
图4为实施例GO-C16C18不同含量在50℃和100℃时复合材料导热性能；
图5a为实施例GO-C16C18不同含量复合材料的DSC降温曲线；
图5b为实施例GO-C16C18不同含量复合材料DSC升温曲线；
图6a为实施例0.25％GO-C16C18复合材料冲击断面SEM图像；
图6b为实施例0.5％GO-C16C18复合材料冲击断面SEM图像；
图6c为实施例1％GO-C16C18复合材料冲击断面SEM图像；
图6d为实施例2％GO-C16C18复合材料冲击断面SEM图像。
具体实施方式：
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
氧化石墨烯的制备：在干燥的烧杯中加入115mL 98％的浓硫酸，用冰水浴冷却至4℃以下，激烈搅拌下加入5g NGP和2.5g NaNO3的混合物，然后再缓慢加入15g KMnO4，并将反应体系的温度控制在20℃以下，继续搅拌反应5min后将体系温度升至(35±3)℃，恒温搅拌30min后在激烈搅拌下加入230mL去离子水。将上述体系转入加热的油浴锅，体系反应温度在98℃左右，保持15min，然后加355mL热的去离子水进行高温水解，加30mL H2O2中和未反应的强氧化剂，趁热抽滤并用5％盐酸和去离子水充分洗涤，在90℃真空干燥箱中干燥24h，得到氧化石墨。
三种插层改性氧化石墨烯的制备：
1、十六烷基三甲基溴化铵(C16H42BrN)插层改性氧化石墨烯：配制0.05mol/L的NaOH溶液，然后称取0.5g氧化石墨粉，依次往250ml三口烧瓶中加入NaOH溶液和氧化石墨粉，再放入磁力转子，把三口烧瓶固定在超声波清洗机上处理40min至充分分散(用玻璃棒蘸取液滴无明显氧化石墨附着在棒上即分散充分)；
将水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，再将三口烧瓶固定在其中，称取0.2gC16加入其中后将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min趁热抽滤，然后用乙醇与蒸馏水洗涤，将滤饼放在真空干燥箱80℃下烘干得到C16插层改性的GO-C16。
2、十八胺插层(C18H39N)改性氧化石墨烯：
首先制备盐酸十八胺，具体过程为：称取1.0g十八胺，量筒量取50ml盐酸倒入250ml烧杯中并加入十八胺；将水浴磁力搅拌器升温至70℃，放入烧杯，搅拌30min，搅拌的过程中滴加浓盐酸调节PH值至1-2，继续搅拌直至取出烧杯后可冷却结晶析出白色的晶体，重复两次以上步骤得到结晶产物并在80℃的真空干燥箱中烘干。
然后制备十八胺插层(C18H39N)改性氧化石墨烯。具体过程为：称取0.1gNaOH固体，放入盛有50ml蒸馏水的100ml烧杯中制成0.05mol/L的NaOH溶液；然后称取0.5g氧化石墨粉，依次将往250ml三口烧瓶中加入NaOH溶液和氧化石墨粉，再放入磁力转子，把三口烧瓶固定在超声波清洗机上处理40min至充分分散；
将水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，再将三口烧瓶固定在其中，称取0.2g盐酸十八胺加入其中后将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；水浴锅升温至90℃，量取5ml水合肼倒入三口烧瓶加大搅拌速率，反应十分钟；趁热抽滤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到C18插层改性的GO-C18。
3、复合插层改性氧化石墨烯：
由氧化石墨烯同时与十六烷基三甲基溴化铵和十八胺2种插层剂复合插层反应得到。
首先制备盐酸十八胺，其制备过程同上所述。
配制0.05mol/L的NaOH溶液；然后称取0.5g氧化石墨粉，依次往250ml三口烧瓶中加入NaOH溶液和氧化石墨粉，再放入磁力转子，把三口烧瓶固定在超声波清洗机上处理40min至充分分散；
将水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，再将三口烧瓶固定在其中，称取0.2g十六烷基三甲基溴化铵加入其中后将温度升至80℃然后搅拌1h；再称取0.2g盐酸十八胺加入并加大转速搅拌20min，然后缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；趁热抽滤洗涤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到复合插层改性的氧化石墨烯。
聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料的制备：取0.6g十六烷基三甲基溴化铵插层改性氧化石墨烯和29.4g PBT混合均匀后，将混合物加入到熔融混炼机中，于245℃下混炼15min，转子转速为50r/min。复合材料中，填料的质量含量为2％，十八胺插层改性氧化石墨烯与复合插层改性氧化石墨烯也取0.6g按相同方法获得复合材料，填料含量均为2％。
所得产物的性能检测：
图1a为实施例GO、GO-C16C18的红外光谱图；图1b为实施例GO-C16C18的XRD曲线；图2a为实施例三种插层改性填料的复合材料拉伸性能；图2b为实施例三种插层改性填料的复合材料冲击性能。
为便于对比，纯PBT与含2％氧化石墨烯的PBT复合材料也采用上述相同的熔融共混条件制备。
所得的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料采用平板硫化机压片。将样品制备成哑铃状试样和矩形长条冲击试样分别测试拉伸性能和冲击性能，拉伸和冲击测试结果如表1所示。
表1三种插层改性填料的聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料力学性能
样品名称 拉伸强度(MPa) 冲击强度(kJ/m<sup>2</sup>)
纯PBT 39.64 6.52
PBT/GO 33.69 612
PBT/GO-C<sub>16</sub> 41.56 7.77
PBT/GO-C<sub>18</sub> 47.42 7.34
PBT/GO-C<sub>16</sub>C<sub>18</sub> 53.98 8.44
可以看到，与纯PBT以及未改性的PBT/GO复合材料相比，采用插层改性氧化石墨烯制备的复合材料的力学性能都得到了提升，复合插层改性氧化石墨烯对复合材料的性能提升效果最好。
实施例2
氧化石墨烯制备同实施例1，复合插层氧化石墨烯制备同实施例1中三种填料制备，将0.15g复合插层改性氧化石墨烯填料与29.85gPBT经实施例1相同过程熔融共混后，得到填料质量含量0.5％的复合材料，复合材料测试试样制备及测试条件同实施例1，拉伸与冲击测试结果如表1所示。
所得的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料采用平板硫化机压片。将样品制备成哑铃状试样和矩形长条冲击试样分别测试拉伸性能和冲击性能，拉伸和冲击测试结果如表2所示。
表2聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料力学性能
可以看到，与纯PBT相比，采用复合插层改性氧化石墨烯制备的复合材料，其力学性能得到较大幅度的提升，拉伸强度与冲击强度分别提升了27.16％和73.61％。
实施例3
氧化石墨烯、复合插层改性氧化石墨烯填料制备同实施例2，在复合材料制备过程中，将0.3g复合插层改性氧化石墨烯填料与29.7gPBT经实施例1相同过程熔融共混后，得到填料质量含量1％的复合材料，复合材料测试试样制备及测试条件同实施例1，拉伸与冲击测试结果如表1所示。可以看出，与纯PBT相比，采用插层改性氧化石墨烯填料所得的复合材料的拉伸强度与冲击强度分别提高了43.94％和94.94％。
热性能测试结果如表3所示。
表3聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料组成和热学性能
可以看出，与纯PBT相比，采用复合插层改性氧化石墨烯填料所得的复合材料的热性能都有一定的提高，结晶峰与熔融峰温度分别提高了6.9℃和2.3℃
对复合材料以及纯PBT在50℃与100℃时进行导热性能测试，结果如表4所示。
表4聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料导热性能
可以看出，与纯PBT相比，采用复合插层改性氧化石墨烯填料所得的复合材料，其热导率都有所提高，50℃与100℃时分别提升了36.39％和46.26％
本实施例所得材料的其他性能测试结果为：图3为实施例GO-C16C18不同含量下复合材料的拉伸与冲击性能；图4为实施例GO-C16C18不同含量在50℃和100℃时复合材料导热性能；图5a和5b为复合材DSC曲线，分别为降温曲线和升温曲线；图6a～图6d为复合材料的冲击断面SEM图像。

Claims (8)

1.插层改性氧化石墨烯改性填料，其特征在于：由氧化石墨粉经过十六烷基三甲基溴化铵或/和盐酸十八胺插层改性处理所得。
2.根据权利要求1所述的插层改性氧化石墨烯改性填料的制备方法，其特征在于，制备十六烷基三甲基溴化铵插层改性氧化石墨烯，包括以下步骤：
配制氧化石墨粉碱性分散液；
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，十六烷基三甲基溴化铵加入氧化石墨粉碱性分散液中，将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min趁热抽滤；
然后用乙醇与蒸馏水洗涤，将滤饼放在真空干燥箱80℃下烘干得到十六烷基三甲基溴化铵插层改性的GO-C16。
3.根据权利要求1所述的插层改性氧化石墨烯改性填料的制备方法，其特征在于，制备十八胺插层改性氧化石墨烯，包括以下步骤：
配制氧化石墨粉碱性分散液；
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，盐酸十八胺加入氧化石墨粉碱性分散液中，将温度升至80℃，然后激烈搅拌20min，缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；水浴锅升温至90℃，加入水合肼，加大搅拌速率，反应十分钟；趁热抽滤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到十八胺插层改性的GO-C18。
4.根据权利要求1所述的插层改性氧化石墨烯改性填料的制备方法，其特征在于，制备复合插层改性氧化石墨烯，包括以下步骤：
配制氧化石墨粉碱性分散液；
将氧化石墨粉碱性分散液水浴加热磁力搅拌器升温至70℃，加入十六烷基三甲基溴化铵、盐酸十八胺中的一种，将温度升至80℃然后搅拌1h；再加入十六烷基三甲基溴化铵、盐酸十八胺中的另一种，加大转速搅拌20min，然后缓慢搅拌30min，停止搅拌保温30min；趁热抽滤洗涤，将滤饼放在托盘在真空干燥箱80℃下烘干得到复合插层改性的氧化石墨烯；
所述的氧化石墨烯，首先采用强氧化剂将天然石墨氧化得到氧化石墨，氧化石墨再经强力超声得到氧化石墨烯；所述的强氧化剂包括浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾；
所述的配制氧化石墨粉碱性分散液，按照以下方法配制：配制0.05mol/L的NaOH溶液，称取0.5g氧化石墨粉，依次往容器中加入NaOH溶液和氧化石墨粉，再放入磁力转子，把容器固定在超声波清洗机上处理至充分分散。
5.根据权利要求3到4任一项所述的插层改性氧化石墨烯改性填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述的盐酸十八胺，由以下方法制备所得：在50ml盐酸中加入1.0g十八胺；在70℃水浴锅中磁力搅拌器搅拌30min，搅拌的过程中滴加浓盐酸调节PH值至1-2后，继续搅拌，冷却结晶析出白色的晶体，得到结晶产物在80℃的真空干燥箱中烘干。
6.根据权利要求4所述的石墨烯-聚乙烯醇杂化材料，其特征在于：所述的氧化石墨烯的制备方法包括以下过程：在干燥的烧杯中加入强氧化剂，用冰水浴冷却至不高于4℃，在激烈搅拌下加入的天然石墨粉和NaNO3的混合物，然后再缓慢加入KMnO4，并将反应体系的温度控制在不高于20℃，继续搅拌反应5min后将体系温度升至35±3℃，恒温搅拌30min后在激烈搅拌下加入去离子水，并将反应体系温度控制在98℃，保持15min后加入去离子水进行高温水解，最后加入H2O2中和未反应的强氧化剂，趁热抽滤并用稀盐酸和去离子水充分洗涤，在真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨；氧化石墨再经强力超声得到氧化石墨烯。
7.聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料，其特征在于：以上述的插层改性的氧化石墨烯为填料，以聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂为基体，经熔融共混法制得，其中插层改性氧化石墨烯改性填料的质量份数为0.25～4份，聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的质量份数为99.75～96份。
8.根据权利要求7所述的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按照配方要求将插层改性氧化石墨烯改性填料与聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂颗粒混合均匀后，在混炼机上熔融共混，熔融温度为240～245℃，共混时间为10～20min，转子转速为50r/min。
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