CN111072952A - 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法 - Google Patents

一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111072952A
CN111072952A CN201911262984.XA CN201911262984A CN111072952A CN 111072952 A CN111072952 A CN 111072952A CN 201911262984 A CN201911262984 A CN 201911262984A CN 111072952 A CN111072952 A CN 111072952A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mxene
nylon
composite material
wear
situ polymerization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911262984.XA
Other languages
English (en)
Inventor
雷军
李忠明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201911262984.XA priority Critical patent/CN111072952A/zh
Publication of CN111072952A publication Critical patent/CN111072952A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G69/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain of the macromolecule
    • C08G69/02—Polyamides derived from amino-carboxylic acids or from polyamines and polycarboxylic acids
    • C08G69/08—Polyamides derived from amino-carboxylic acids or from polyamines and polycarboxylic acids derived from amino-carboxylic acids
    • C08G69/14—Lactams
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G69/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain of the macromolecule
    • C08G69/02—Polyamides derived from amino-carboxylic acids or from polyamines and polycarboxylic acids
    • C08G69/08—Polyamides derived from amino-carboxylic acids or from polyamines and polycarboxylic acids derived from amino-carboxylic acids
    • C08G69/14—Lactams
    • C08G69/16—Preparatory processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polyamides (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法方法。包括以下步骤：(1)采用氟化锂与稀盐酸原位生成氢氟酸，刻蚀MAX相中的中间层，制备二维材料MXene；(2)将MXene超声分散到熔融己内酰胺中，加入催化剂及活化剂，倒入模具中固化成型，制备具备高耐磨性能MXene/MC尼龙复合材料。本发明制备的二维填料具有类石墨烯形态、低层间剪切强度和优异力学性能，表面具有大量含氧基团，与MC尼龙有良好的相互作用，能够均匀分散在基体中，显著提高MC尼龙复合材料的摩擦磨损性能，延长MC尼龙制品的使用寿命。

Description

一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备 方法
技术领域
本发明涉及一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，属于高分子合成和加工技术领域。
背景技术
单体浇铸尼龙6(MC尼龙)是由己内酰胺阴离子开环聚合反应得到的一种新型工程塑料，其特点是分子量高，结晶度高，工艺简单，成型周期短，因此其机械性能、耐磨性能、尺寸稳定性以及吸水性都优于一般尼龙，(Tribology Letters,2014,54(2):161-170.)因此MC尼龙广泛应用于石油化工、机械、交通、建筑等行业。但纯MC尼龙在高负荷下使用时耐磨损性、尺寸稳定性不佳，体积磨损率较大，容易造成机械偏差，难以满足在高负荷条件下工作的要求，这些不足在一定程度上限制了它在更广泛领域的应用。
为了提高MC尼龙抗磨损性能，通常都是在MC尼龙基体中通过添加石墨、炭黑、二硫化钼、纤维、润滑油等不同的填料，可以改善MC尼龙的摩擦学性能。然而，由于固体填料填充量高，界面相互作用差，导致润滑填料在基体中分散不均匀，复合材料的力学性能可能会恶化(Acs Applied Materials&Interfaces.2017,9(38),33176-33190)。同时，液体润滑剂会在基体中发生渗透，也会降低材料的力学性能和使用寿命。
MXene是一种新型的二维纳米片材料，它是通过HF刻蚀去除MAX相中的Al层制备的。MXene具有类石墨烯类似的层状结构，可以通过使用不同的MAX相来调整其组成。MXenes由于其独特的电学性质、类石墨烯形态、低层间剪切强度、优异的机械强度、吸附性能、高比表面积等，是一种很有前途的改善聚合物摩擦学和机械性能的添加剂(Materials&Design.2016,92,682-689)。与石墨烯不同的是，MXene表面拥有大量的含氧、含氟基团，可以与MC尼龙分子链上的酰胺基团生成氢键，增强界面相互作用，同时提高其在MC尼龙基体中的分散性，因此可以进一步提高MC尼龙材料的机械性能。由于MXene是由MAX相通过刻蚀掉中间层Al制备得到的，MXene层间的相互作用大大降低，MXene的层间滑移有助于减小摩擦系数，将其与MC尼龙原位复合制备的MC尼龙/MXene复合材料硬度和耐磨性都明显提高，受摩擦力时，MXene纳米片极易进入接触面，减少两粗糙表面的直接接触，接触表面形成转移层，摩擦行为由原来的疲劳磨损转变为磨蚀磨损，提高材料的耐磨性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，通过添加一种具有优异耐磨性和分散性的新型二维填料MXene，提供一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法。目的在于获得具备高耐磨性能的MC尼龙材料。其机理是利用新型二维填料MXene的低层间剪切强度和丰富的表面含氧、含氟基团，与MC尼龙的酰胺基团之间的氢键作用，形成良好的界面作用和均匀分散，大幅提高MC尼龙的抗磨损性能，降低磨损率。
本发明由以下技术方案实现：
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将氟化锂与盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌t1时间制备刻蚀液；
步骤2：将前驱体MAX相缓慢加入步骤1刻蚀液中，在一定温度下持续刻蚀t2时间；
步骤3：将步骤2中获得的反应液体进行离心后倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入大功率超声机中超声t3时间，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在一定温度下冷冻干燥t4时间，得到MXene。
步骤5：将己内酰胺CL加热至完全熔融后加入步骤4得到的MXene；分散均匀后，升温至125～135℃，抽真空除水t5时间；
步骤6：加入催化剂，继续抽真空除水t6时间，加入活化剂，搅拌得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，保温t7时间，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
进一步的，所述步骤1中，盐酸的摩尔浓度为6～12mol/L，氟化锂与盐酸溶液的质量比为1：(10～30)，t1时间为5～30min，转速为400rpm；
进一步的，所述步骤2中，前驱体MAX相为Ti2AlC、V2AlC、Ti3AlC2、Ta4AlC3，氟化锂与MAX质量比为(1～2)：1，反应温度为30～50℃，t2时间为24～72h；
进一步的，所述步骤3中，反应液离心转速为3000-10000rpm，超声功率为500～900W，t3时间为3～10min。
进一步的，所述步骤4中，所用温度为-60℃，时间t4为36～72h；
进一步的，所述步骤5中，己内酰胺(CL)与MXene质量比为100：(1～10)，时间t6为30min。
进一步的，所述步骤6中，催化剂为氢氧化钾(KOH)、甲醇钠(CH3ONa)、氢氧化钠(NaOH)，优选NaOH，占CL的质量份数为0.2～0.6份，活化剂为甲苯二异氰酸酯(TDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，二苯二异氰酸酯(MDI)，优选TDI，占CL的质量份数为0.3～0.8份，t6时间为20～30min；
进一步的，所述步骤7中，保温温度为160～180℃，t7时间为30～60min。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，相比于现有的其他技术相比，具有如下优点：
(1)将二维纳米填料MXene与MC尼龙原位复合，可以克服普通纳米填料容易在聚合物基体中容易团聚的缺点，在基体中能够得到良好的分散。这样既能一定程度上提高MC尼龙制件的机械性能，也能大幅度提高MC尼龙的耐磨损你性能，实现减摩耐磨，进而延长制件的使用寿命，减少能源消耗，节省经济支出。
(2)MXene纳米填料均匀分散在MC尼龙复合材料中，在实际应用时，不需要外部干预或维护，当制件在反复摩擦过程中，MXene纳米片极易进入接触面，减少两粗糙表面的直接接触，接触表面形成转移层，摩擦行为由原来的疲劳磨损转变为磨蚀磨损，提高材料的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明提供的实施例1制备的二维MXene扫描电子显微镜图
图2为本发明提供的实施例1制备的二维MXene的X-射线衍射分析图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入1份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.482，磨损量为0.036mg/s。
实施例2
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.331，磨损量为0.029mg/s。
实施例3
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入5份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.182，磨损量为0.022mg/s。
实施例4
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入8份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.324，磨损量为0.032mg/s。
实施例5
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入10份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.385，磨损量为0.038mg/s。
实施例6
一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入0份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.3份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.845，磨损量为0.063mg/s。
由实施例可以看出，用MXene改善MC尼龙摩擦磨损性能时，当MXene质量份数为1-5份之间时，随着MXene含量的增加，MC尼龙复合材料的摩擦磨损性能随之提高，但是当含量进一步增加时，材料的面摩擦磨损性能下降。
对比例1
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.4份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.206，磨损量为0.033mg/s。
对比例2
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.6份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.249，磨损量为0.036mg/s。
对比例3
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.2份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.8份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.285，磨损量为0.040mg/s。
对比例4
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.3份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.4份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.231，磨损量为0.039mg/s。
对比例5
步骤1：将1.6g氟化锂与24g摩尔浓度为9mol/L的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤2：将1g前驱体MAX相Ti3AlC2缓慢加入步骤1刻蚀液中，在35℃下持续刻蚀48h；
步骤3：以5000rpm的转速将步骤2中获得的反应液体进行离心，倒掉上清液，加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，再放入750W的大功率超声机中超声5min，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤4：将步骤3中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene。
步骤5：将100份的己内酰胺CL加热至90℃完全熔融后加入2份步骤4得到的MXene；超声波分散30min，升温至130℃，抽真空除水30min；
步骤6：加入0.5份氢氧化钠，搅拌溶解，继续抽真空脱水30min，卸除真空，加入甲苯二异氰酸酯0.4份，搅拌均匀得到MC尼龙单体以及MXene的待聚体系；
步骤7：将步骤6得到的待聚体系浇入模具中，170℃下保温1h，反应固化完成后冷却脱模即可得到MXene/MC尼龙复合材料。
经摩擦磨损测试后得MXene/MC尼龙复合材料的摩擦系数为0.244，磨损量为0.042mg/s。
从对比例可以看出，在MXene含量不变的前提下，改变MC尼龙合成的工艺对复合材料摩擦磨损性能也有一定影响。采用氢氧化钠和甲苯二异氰酸酯分别作为催化剂和助催化剂时，两者的最佳质量份数分别为0.2份和0.3份，此时MC尼龙复合材料摩擦磨损性能最佳。
图1为本发明实施例1制备的的MXene的扫描电子显微镜图，其中图1a为本发明实施例1中所采用的前驱体MAX相Ti3AlC2，是一种陶瓷块状颗粒，表面有少许氧化后生成的颗粒。图1b为本发明实施例1中刻蚀后形成的MXene，可以看到呈现出一种多层结构，层与层之间相互作用较弱，较小的外力作用下层间即可产生滑移，如图1c所示，层间出现较大的滑移，滑移之后每一层可单独存在，如图1d所示。在受摩擦力时，MXene纳米片极易进入接触面，减少两粗糙表面的直接接触，接触表面形成转移层，摩擦行为由原来的疲劳磨损转变为磨蚀磨损，提高材料的耐磨性能。对比实施例1-3与实施例1-6可以看出，加入5份MXene，材料的摩擦系数由0.845降低至0.182，磨损量由0.063mg/s降低至0.022mg/s。
图2为本发明实施例1制备的的MXene的X-射线衍射分析图。可以从图中看出，前驱体MAX相Ti3AlC2经过刻蚀之后，2θ角在39°的峰消失，表明MAX相Ti3AlC2中的Al被刻蚀掉，同时，2θ角在10°左右的峰为MXene填料Ti3C2的(002)峰，刻蚀之后出现左移，表明刻蚀后层间距离增大，也侧面说明了制备的MXene层间作用力较低，容易产生滑移。
本发明制备的MXene能够显著提高MC尼龙摩擦磨损性能，制备过程简单、工艺易于掌握，有望扩大MC尼龙的应用范围。减少因摩擦磨损造成的能源消耗以及零件失效，节省工业成本，保护环境。

Claims (7)

1.一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：二维填料MXene的制备
步骤(1.1)：将氟化锂与一定摩尔浓度的盐酸溶液在聚四氟烧杯中搅拌30min制备刻蚀液，转速为400rpm；
步骤(1.2)：将一定量的前驱体MAX相缓慢加入步骤(1.1)刻蚀液中刻蚀，在一定反应温度下持续搅拌刻蚀；
步骤(1.3)：将步骤(1.2)中获得的反应液体进行离心，离心后将上清液倒掉，向离心管的沉淀中分别加入去离子水，沉淀与去离子水混合均匀，将离心管放入大功率超声机中超声一定时间，取出继续离心，重复洗涤直到离心后倒出的液体为中性；
步骤(1.4)：将步骤(1.3)中获得的MXene用去离子水分散，形成稳定的MXene分散溶液，将分散溶液在-60℃下冷冻干燥48h，得到MXene；
步骤(2)：MXene/MC尼龙复合材料的制备
步骤(2.1)：将重量份数100份的己内酰胺(CL)加热至90℃熔化，等待完全熔融之后加入MXene填料，超声波分散20～30min；将混合体系升温至125～135℃，抽真空脱水30min；
步骤(2.2)：向步骤(2.1)熔体中加入催化剂，搅拌溶解，维持体系温度到125～135℃，再次真空脱水30min；卸除真空，迅速加入活化剂，搅拌均匀得到含MXene的MC尼龙预聚物；
步骤(2.3)：将预聚物迅速浇入预热至160-180℃的模具中，聚合反应0.5-1h，待反应固化完全之后冷却脱模，得到高耐磨MXene/MC尼龙复合材料；优选地，步骤(1.1)中，盐酸的摩尔浓度为6～12mol/L，氟化锂与盐酸溶液的质量比为1：(10～30)，更优选地，盐酸浓为9mol/L，氟化锂与盐酸溶液质量比为1：15。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(1)中，MXene为Ti2C、V2C、Ti3C2、Ta4C3。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中，盐酸的摩尔浓度为6M～12M。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(1.2)中，前驱体MAX相为Ti2AlC、V2AlC、Ti3AlC2、Ta4AlC3；氟化锂与MAX质量比为(1～2)：1，反应温度调至30～50℃，持续搅拌24～72h。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(1.3)中，反应液体离心转速为3000-10000rpm，离心管放入大功率超声机中，超声功率为500～900W，超声时间为3～10min。
6.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(2.1)中，己内酰胺质量份数为100份，MXene填料的质量份数为1～10份。
7.根据权利要求1所述的一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法，其特征在于，步骤(2.2)中，催化剂为氢氧化钾(KOH)、甲醇钠(CH3ONa)、氢氧化钠(NaOH)，优选NaOH，占CL的质量份数为0.2～0.6份，活化剂为甲苯二异氰酸酯(TDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，二苯二异氰酸酯(MDI)，优选TDI，占CL的质量份数为0.3～0.8份。
CN201911262984.XA 2019-12-11 2019-12-11 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法 Pending CN111072952A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911262984.XA CN111072952A (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911262984.XA CN111072952A (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111072952A true CN111072952A (zh) 2020-04-28

Family

ID=70313609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911262984.XA Pending CN111072952A (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111072952A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111909372A (zh) * 2020-06-29 2020-11-10 宁波石墨烯创新中心有限公司 一种石墨烯/聚酰胺复合材料及其制备方法和应用
CN113800519A (zh) * 2021-10-19 2021-12-17 中国科学院兰州化学物理研究所 一种MXene基复合润滑涂层的制备方法和应用
CN114539762A (zh) * 2022-02-21 2022-05-27 北京理工大学 一种具有耐摩擦性的MXene/聚氨酯复合材料及其制备方法
CN115195325A (zh) * 2022-07-13 2022-10-18 常州工学院 一种含MXene的仿动物毛笔及其制备方法
CN115819788A (zh) * 2022-12-08 2023-03-21 万华化学集团股份有限公司 一种高附着力高耐磨的轻量化尼龙粉末的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102585214A (zh) * 2011-01-14 2012-07-18 上海杰事杰新材料(集团)股份有限公司 纳米TiO2/MC尼龙6复合材料的原位制备方法
CN104277452A (zh) * 2013-07-02 2015-01-14 上海杰事杰新材料(集团)股份有限公司 一种高性能耐磨浇铸尼龙纳米复合材料及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102585214A (zh) * 2011-01-14 2012-07-18 上海杰事杰新材料(集团)股份有限公司 纳米TiO2/MC尼龙6复合材料的原位制备方法
CN104277452A (zh) * 2013-07-02 2015-01-14 上海杰事杰新材料(集团)股份有限公司 一种高性能耐磨浇铸尼龙纳米复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
;LIU YONG ET AL: "Synthesis and tribological property of Ti3C2T (X) nanosheets", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》 *
MICHAEL CAREY ET AL: "Nylon-6/Ti3C2Tz MXene Nanocomposites Synthesized by in Situ Ring Opening Polymerization of ε-Caprolactam and Their Water Transport Properties", 《ACS APPL.MATER.INTERFACES》 *
XUAN YIN ET AL: "Ultra-Wear-Resistant MXene-Based Composite Coating via in Situ Formed Nanostructured Tribofilm", 《ACS APPL. MATER. INTERFACES》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111909372A (zh) * 2020-06-29 2020-11-10 宁波石墨烯创新中心有限公司 一种石墨烯/聚酰胺复合材料及其制备方法和应用
CN113800519A (zh) * 2021-10-19 2021-12-17 中国科学院兰州化学物理研究所 一种MXene基复合润滑涂层的制备方法和应用
CN114539762A (zh) * 2022-02-21 2022-05-27 北京理工大学 一种具有耐摩擦性的MXene/聚氨酯复合材料及其制备方法
CN115195325A (zh) * 2022-07-13 2022-10-18 常州工学院 一种含MXene的仿动物毛笔及其制备方法
CN115819788A (zh) * 2022-12-08 2023-03-21 万华化学集团股份有限公司 一种高附着力高耐磨的轻量化尼龙粉末的制备方法
CN115819788B (zh) * 2022-12-08 2024-02-02 万华化学集团股份有限公司 一种高附着力高耐磨的轻量化尼龙粉末的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111072952A (zh) 一种高耐磨MC尼龙/MXene纳米复合材料及其原位聚合制备方法
JP4884770B2 (ja) フッ素樹脂複合体組成物
CN111073220B (zh) 一种自润滑复合材料及其制备方法和应用
CN101928457B (zh) 一种碳基纳米浇铸尼龙复合材料及其原位聚合制备方法
US5744235A (en) Process for preparing composite structures
CN109912910B (zh) 一种高导热绝缘型聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用
CN107663328B (zh) 碳纤维和二氧化硅纳米球协同填充的超高分子量聚乙烯耐磨材料的制备方法
CN103613883A (zh) 一种以石墨烯为填料的耐磨损硬质复合材料及其制备方法
CN102942694B (zh) 一种含油铸型尼龙复合材料
CN109694570A (zh) 一种高强度超耐磨mc尼龙复合材料及其制备方法
CN110540724A (zh) 一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法
Liu et al. In situ preparation and properties of waterborne polyurethane/edge-isocyanated hexagonal boron nitride composite dispersions
CN108623988A (zh) 一种石墨烯/酚醛树脂复合材料及其用途
CN110746563A (zh) 一种PEG球磨插层h-BN改性聚氨酯导热复合材料及其制备方法
CN117126430B (zh) 一种具有循环散热功能的冷凝胶及其制备工艺
CN111117167B (zh) 适用于油润滑工况的环氧树脂基纳米复合材料的制备方法
CN105524412A (zh) 抗静电peek树脂材料及其制备方法
CN108164924A (zh) 一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料及其制备方法
CN111925648A (zh) 一种利用氧化石墨烯/聚四氟乙烯复合物协同改性mc尼龙工程塑料的方法
CN109825014B (zh) 一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用
CN111662547A (zh) 一种二硫化钼量子点/石墨烯/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用
Jiang et al. Facile synthesis of polyaniline nanorods to simultaneously enhance the mechanical properties and wear resistance of epoxy composites
CN110872380A (zh) 一种石墨烯/mc尼龙纳米复合材料及其制备方法
Tawiah et al. Tribology of hybrid nanofiller/polymer nanocomposites
CN112341812B (zh) 一种自组装网络聚酰胺组合物及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200428

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication