CN110304619A - 一种玉米芯基生物炭和玉米芯基生物炭-尼龙复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种玉米芯基生物炭和玉米芯基生物炭-尼龙复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料领域，公开了一种玉米芯基生物炭和尼龙复合材料及其制备方法和应用。所述玉米芯基生物炭的制备方法包括：将玉米芯依次进行粉碎、清洗和干燥，将所得干燥玉米芯粒于温度600～800℃下隔氧炭化3～8h，冷却至室温，之后将所得炭化后的玉米芯粒进行酸化处理，过滤之后水洗至中性，将所得水洗固体产物烘干，并将所得炭化玉米芯研磨成粉。本发明提供的玉米芯基生物炭具有优良的导热性能，并且与高分子材料的相容性良好，基本不会影响高分子材料的力学性能，能够在一定程度上取代昂贵的石墨烯，将该玉米芯基生物炭作为导热填料对尼龙树脂进行改性，所得尼龙复合材料兼具有优异的导热性能和力学性能。

Description

一种玉米芯基生物炭和玉米芯基生物炭-尼龙复合材料及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种玉米芯基生物炭和玉米芯基生物炭-尼龙复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着大功率电子行业的飞速发展，出现了很多由于产品发热导致产品功效降低、使用寿命变短等问题。为了降低电子元器件损耗，热量的快速转移是关键。传统高导热高分子材料所用导热填料多为金属及金属氧化物，以及部分非金属材料如石墨、炭黑、AlN等。然而，由于传统导热填料价格昂贵，且与高分子材料相容性差，这不仅会使加工难度大大增加，而且会导致高分子材料的力学性能下降。
玉米芯是用玉米棒脱粒加工再通过严格筛选制成，具有组织均匀、硬度适宜、韧性好、吸水性强、耐磨性能好等优点，目前被广泛应用于眼镜、纽扣、电子元件、汽车零部件、磁性材料的抛光和干燥、擦干处理。在高新技术产业中，由于玉米芯含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素等，已被用于造纸、生物制糖等行业。然而，虽然玉米芯应用范围广泛，但是其在导热领域的研究仍处于空白阶段。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统导热填料价格昂贵且与高分子材料的相容性差的缺陷，而提供一种价格低廉且兼具有良好导热性以及与高分子材料相容性的玉米芯基生物炭和玉米芯基生物炭-尼龙复合材料及其制备方法和应用。
具体地，本发明提供了一种玉米芯基生物炭的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
S1、将玉米芯依次进行粉碎、清洗和干燥，得到干燥玉米芯粒；
S2、将所述干燥玉米芯粒于温度600～800℃下隔氧炭化3～8h，冷却至室温，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将所述炭化后的玉米芯粒采用酸液进行酸化处理，过滤之后水洗至中性，并将所得水洗固体产物烘干，得到炭化玉米芯；
S4、将所述炭化玉米芯研磨成粉，即得所述玉米芯基生物炭。
本发明还提供了由上述方法制备得到的玉米芯基生物炭。
本发明还提供了所述玉米芯基生物炭作为导热填料的应用。
本发明还提供了一种玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，其中，所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料含有尼龙树脂、玻璃纤维、上述玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂。
本发明还提供了所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的制备方法，其中，该方法包括将所述尼龙树脂、玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂预混均匀，之后将所得预混料从主喂料斗加入双螺杆挤出机中，将所述玻璃纤维从侧喂料斗加入所述双螺杆挤出机中，各组分经所述双螺杆挤出机熔融挤出，即得所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。
此外，本发明还提供了所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料作为导热材料的应用。
本发明的有益效果如下：首先，本发明提供的玉米芯基生物炭的制备过程简单，不用经过复杂处理即可得到导热性能优良的生物质炭，这种生物质炭与高分子材料相容性很好，基本不会影响高分子材料的力学性能，为性价比极高的导热填料，能够在一定程度上取代石墨烯，在生产制造中达到降低成本的目的；其次，本发明提供的玉米芯基生物炭的制备原料极易获得，并且价格低廉，适合大批量生产，而且还能够避免由于直接焚烧玉米芯而造成的空气污染。
具体实施方式
本发明提供的玉米芯基生物炭的制备方法包括以下步骤：
S1、将玉米芯依次进行粉碎、清洗和干燥，得到干燥玉米芯粒；
S2、将所述干燥玉米芯粒于温度600～800℃下隔氧炭化3～8h，冷却至室温，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将所述炭化后的玉米芯粒采用酸液进行酸化处理，过滤之后水洗至中性，并将所得水洗固体产物烘干，得到炭化玉米芯；
S4、将所述炭化玉米芯研磨成粉，即得所述玉米芯基生物炭。
在本发明中，所述玉米芯为将玉米棒上的玉米粒脱除之后剩余的棒芯。
在步骤S1中，所述粉碎的目的是为了将玉米芯破碎成细颗粒，从而更有利于后续的处理。所述粉碎的条件可以使所得玉米芯粒的粒径为0.5cm以下，优选为0.1～0.3cm。所述破碎之后形成的玉米芯粒通常呈不规则形状，此时，上述粒径是指玉米芯粒上任意两点之间的最大距离。所述清洗所采用的清洗液通常可以为水。为了使得清洗更为彻底，所述清洗优选在超声波震荡条件下进行。此外，所述干燥的条件通常包括干燥温度可以为50～80℃，干燥的时间以使得产物至恒重为准。
在步骤S3中，所述酸化处理的目的是为了除去炭化产物中的易溶性杂质。所述酸液的具体实例包括但不限于：盐酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、磷酸水溶液和柠檬酸水溶液中的至少一种，其通过将HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3和C6H8O7中的至少一种溶于去离子水中配制而成。所述酸液的浓度优选为0.1～2mol/L。相对于100重量份的所述炭化后的玉米芯粒，所述酸液的用量可以为500～1000mL。所述酸化处理的条件通常包括温度优选为室温，时间优选为5～20h。此外，所述烘干的条件通常包括温度可以为50～80℃，时间可以为5～20h。
本发明还提供了由上述方法制备得到的玉米芯基生物炭。
本发明还提供了所述玉米芯基生物炭作为导热填料的应用。
本发明还提供了一种玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，其中，所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料含有尼龙树脂、玻璃纤维、上述玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂。
本发明对所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料中各物质的含量没有特别的限定，例如，以所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的总重量为基准，所述尼龙树脂的含量可以为30～60wt％，所述玻璃纤维的含量可以为20～40wt％，所述玉米芯基生物炭的含量可以为10～30wt％，所述抗氧剂的含量可以为0.1～1wt％，所述润滑剂的含量可以为0.1～1wt％；优选地，以所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的总重量为基准，所述尼龙树脂的含量可以为40～50wt％，所述玻璃纤维的含量可以为25～35wt％，所述玉米芯基生物炭的含量可以为20～25wt％，所述抗氧剂的含量可以为0.2～0.8wt％，所述润滑剂的含量可以为0.2～0.6wt％。
在本发明中，所述尼龙树脂的具体实例包括但不限于尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种，特别优选为尼龙66。所述尼龙树脂的相对粘度优选为2.5～3.0。在本发明中，所述相对粘度的测试温度为40±0.1℃，参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液。
在本发明中，所述玻璃纤维可以为长切玻璃纤维，也可以为短切玻璃纤维，还可以为以上两者的混合物。此外，所述玻璃纤维的直径可以为5～20μm。在本发明的优选实施方式中，所述玻璃纤维为直径7～14μm的无碱短切玻璃纤维。
本发明对所述抗氧剂的种类没有特别的限定，可以为现有的各种能够提高尼龙复合材料抗氧化性能的物质，特别优选为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺(1098)与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯(9228)的混合物。其中，该混合物中N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的重量比优选为(0.5～2):1。
本发明对所述润滑剂的种类没有特别的限定，其具体实例包括但不限于：乙撑双硬脂酰胺(EBS)、聚二甲基硅氧烷(硅酮)、硬脂酸锌、有机硅润滑剂、乙烯丙烯酸共聚物、聚乙烯蜡和季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种，优选选自乙撑双硬脂酰胺、聚二甲基硅氧烷和硬脂酸锌中的至少一种。
本发明还提供了所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的制备方法，其中，该方法包括将所述尼龙树脂、玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂预混均匀，之后将所得预混料从主喂料斗加入双螺杆挤出机中，将所述玻璃纤维从侧喂料斗加入所述双螺杆挤出机中，各组分经所述双螺杆挤出机熔融挤出，即得所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。其中，所述预混可以为手动搅拌混合，也可以采用现有的各种混合设备进行机械混合。所述预混的条件以使得以上几种组分形成均一体系即可。在所述预混过程中，以上几种组分可以以任意顺序混合，例如，可以将以上几种组分按照任意顺序逐一加入混合容器中进行混合，也可以将以上几种组分中的任意两种以上混合均匀后再加入其它组分继续混合均匀。根据本发明的一种具体实施方式，所述预混在低速混合机中进行，且所述预混的条件包括温度为20～60℃，转速为50～100r/min，时间为10～30min。所述熔融挤出的条件优选包括温度为250～275℃，螺杆转速为300～500r/min。
此外，本发明还提供了所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料作为导热材料的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
制备例1
该制备例用于说明本发明提供的玉米芯基生物炭的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将玉米芯用粉碎机粉碎至粒径为0.5cm以下，在超声波震荡条件下用水反复清洗三次，抽滤，之后置于60℃烘箱中干燥至恒重，得到干燥玉米芯粒；
S2、将干燥玉米芯粒置于坩埚中，盖上盖子，置于马弗炉中在700℃下隔氧炭化5h，冷却至室温取出，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将炭化后的玉米芯粒采用1mol/L的盐酸水溶液于室温下处理12h，过滤之后将所得固体用去离子水洗涤至中性，抽滤，滤饼于60℃烘箱中恒温干燥12h，得到炭化玉米芯；
S4、将炭化玉米芯研磨成粒径为0.05cm以下的细粉，得到玉米芯基生物炭，记为YT-1。
制备例2
该制备例用于说明本发明提供的玉米芯基生物炭的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将玉米芯用粉碎机粉碎至粒径为0.5cm以下，在超声波震荡条件下用水反复清洗三次，抽滤，之后置于50℃烘箱中干燥至恒重，得到干燥玉米芯粒；
S2、将干燥玉米芯粒置于坩埚中，盖上盖子，置于马弗炉中于600℃条件下隔氧炭化8h，冷却至室温取出，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将炭化后的玉米芯粒采用2mol/L的磷酸水溶液于室温下处理5h，过滤之后将所得固体用去离子水洗涤至中性，抽滤，滤饼于50℃烘箱中恒温干燥20h，得到炭化玉米芯；
S4、将炭化玉米芯研磨成粒径为0.05cm以下的细粉，得到玉米芯基生物炭，记为YT-2。
制备例3
该制备例用于说明本发明提供的玉米芯基生物炭的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将玉米芯用粉碎机粉碎至粒径为0.5cm以下，在超声波震荡条件下用水反复清洗三次，抽滤，之后置于80℃烘箱中干燥至恒重，得到干燥玉米芯粒；
S2、将干燥玉米芯粒置于坩埚中，盖上盖子，置于马弗炉中于800℃条件下隔氧炭化3h，冷却至室温取出，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将炭化后的玉米芯粒采用0.5mol/L的硫酸水溶液于室温下处理20h，过滤之后将所得固体用去离子水洗涤至中性，抽滤，滤饼于80℃烘箱中恒温干燥5h，得到炭化玉米芯；
S4、将炭化玉米芯研磨成粒径为0.05cm以下的细粉，得到玉米芯基生物炭，记为YT-3。
实施例1～3
将尼龙树脂(PA66，其在温度为40±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.5)、玉米芯基生物炭YT-1～YT-3、抗氧剂和润滑剂(硅酮)加入低速混合机中，于温度30℃、转速60r/min下混合15min，之后将所得预混料从主喂料斗加入双螺杆挤出机中，将玻璃纤维(直径7～14μm的无碱短切玻璃纤维)从侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，于温度250～275℃、转速300r/min的条件下熔融挤出，得到玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。其中，各原料的用量如表1所示，所得玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的性能如表2所示。
对比例1
按照实施例1的方法制备玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，不同的是，将玉米芯基生物炭采用相同重量份的石墨烯替代，其余条件与实施例1相同，得到参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。其中，各原料的用量如表1所示，所得参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的性能如表2所示。
对比例2
按照实施例3的方法制备玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，不同的是，将玉米芯基生物炭采用相同重量份的石墨烯替代，其余条件与实施例3相同，得到参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。其中，各原料的用量如表3所示，所得参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的性能如表2所示。
对比例3
按照实施例3的方法制备玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，不同的是，将玉米芯基生物炭采用相同重量份的PA66替代，其余条件与实施例3相同，得到参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。其中，各原料的用量如表3所示，所得参比玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的性能如表2所示。
表1各原料的用量(wt％)
原料名称 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
PA66 44 49 59 44 59 69
玻璃纤维 30 30 30 30 30 30
玉米芯基生物炭 25 20 10 0 0 0
石墨烯 0 0 0 25 10 0
抗氧剂(1098) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
抗氧剂(9228) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
润滑剂(硅酮) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
表2
测试项目 测试方法 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
拉伸强度/MPa ISO572-2 161.3 165.5 171.2 143.8 159.6 175.8
弯曲强度/MPa ISO178 243.6 247.7 258.5 201.8 229.1 266.5
冲击强度/MPa.m<sup>-2</sup> ISO178 13.2 13.5 14.3 8.8 11.2 15.0
热导系数/W/m·K ASTM-E1461 6.5 5.6 3.9 7.8 5.4 0.3
从表2的结果可以看出，采用本发明提供的玉米芯基生物炭作为导热填料对尼龙进行改性，所得尼龙复合材料的热导系数仅比采用石墨烯填充尼龙材料的热导系数稍微低一些，而力学性能却有所提高，由此可以说明，本发明提供的玉米芯基生物炭不仅具有良好的导热性能，而且与高分子材料的相容性良好，基本不会影响高分子材料的力学性能，比昂贵的石墨烯更为实用。造成这种差异的主要原因是因为石墨烯作为导热填料虽然能够极大地提高高分子材料的热导系数，但是石墨烯与高分子材料如尼龙材料的相容性很差，因此，添加石墨烯会使所得复合材料的力学性能变差；而玉米芯基生物炭作为导热填料所得复合材料的导热性能虽然较采用石墨烯改性时略有降低，但是由于玉米芯基生物炭与高分子材料如尼龙材料的相容性极好，对其力学性能影响很小。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种玉米芯基生物炭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将玉米芯依次进行粉碎、清洗和干燥，得到干燥玉米芯粒；
S2、将所述干燥玉米芯粒于温度600～800℃下隔氧炭化3～8h，冷却至室温，得到炭化后的玉米芯粒；
S3、将所述炭化后的玉米芯粒采用酸液进行酸化处理，过滤之后水洗至中性，并将所得水洗固体产物烘干，得到炭化玉米芯；
S4、将所述炭化玉米芯研磨成粉，即得所述玉米芯基生物炭。
2.根据权利要求1所述的玉米芯基生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述粉碎的条件使所得玉米芯粒的粒径为0.5cm以下，优选为0.1～0.3cm；所述清洗在超声波震荡条件下进行，所述清洗所采用的清洗液为水；所述干燥的方式为于温度50～80℃下干燥至恒重。
3.根据权利要求1或2所述的玉米芯基生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述酸液为盐酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、磷酸水溶液和柠檬酸水溶液中的至少一种；所述酸液的浓度为0.1～2mol/L；所述酸化处理的条件包括温度为室温，时间为5～20h；所述烘干的条件包括温度为50～80℃，时间为5～20h。
4.由权利要求1～3中任意一项所述的方法制备得到的玉米芯基生物炭。
5.权利要求4所述的玉米芯基生物炭作为导热填料的应用。
6.一种玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，其特征在于，所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料含有尼龙树脂、玻璃纤维、玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂，所述玉米芯基生物炭为权利要求5所述的玉米芯基生物炭。
7.根据权利要求6所述的玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，其特征在于，以所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的总重量为基准，所述尼龙树脂的含量为30～60wt％，所述玻璃纤维的含量为20～40wt％，所述玉米芯基生物炭的含量为10～30wt％，所述抗氧剂的含量为0.1～1wt％，所述润滑剂的含量为0.1～1wt％。
8.根据权利要求6或7所述的玉米芯基生物炭-尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙树脂的粘度为2.5～3.0；所述玻璃纤维为直径7～14μm的无碱短切玻璃纤维；所述抗氧化剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的混合物；所述润滑剂选自乙撑双硬脂酰胺、聚二甲基硅氧烷和硬脂酸锌中的至少一种。
9.权利要求6～8中任意一项所述的玉米芯基生物炭-尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括将所述尼龙树脂、玉米芯基生物炭、抗氧剂和润滑剂预混均匀，之后将所得预混料从主喂料斗加入双螺杆挤出机中，将所述玻璃纤维从侧喂料斗加入所述双螺杆挤出机中，各组分经所述双螺杆挤出机熔融挤出，即得所述玉米芯基生物炭-尼龙复合材料。
10.权利要求6～8中任意一项所述的玉米芯基生物炭-尼龙复合材料作为导热材料的应用。
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