CN114989492B - 一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法并将其进一步应用于制备尼龙复合材料。本发明利用氧化石墨纳米片作为优良的界面改性剂，通过对碳化硼表面处理，经过剪切分散后，氧化石墨纳米片与碳化硼自组装得到氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料，改善刚性碳化硼纳米填料与尼龙基体间的界面相互作用，采用溶液混合法与熔融共混法结合的方式，有效提高填料在尼龙基体中的分散性。本发明实现了氧化石墨纳米片和碳化硼的协同作用，增强了尼龙的机械性能，并提高了热稳定性。

Description

一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其对尼龙的增强。
背景技术
尼龙是一种应用广泛的热塑性工程塑料，具有强度高、耐腐蚀、轻质、自润滑和易加工等良好的综合性能，已经被广泛应用到纺织、工程零件、汽车工业、电子电器等领域。然而，尼龙产品的耐热性、导电性并不高，力学强度远不及碳纤维、凯夫拉纤维，限制了尼龙在更广泛领域的应用。
为了进一步提升尼龙的性能，可通过填充、共混和化学接枝等方法进行物理和化学改性。添加纳米填料是增强尼龙综合性能的一种有效手段，传统添加方式以直接物理共混为主，存在两大缺点：一方面直接物理混合时填料在材料基体中的分散性往往很差，团聚现象严重，并且填料与基体之间界面结合力比较薄弱，从而纳米填料增强效果远低于理论预测值；另一方面直接物理共混法通常需要较高的添加量，而纳米填料通常价格比较昂贵，导致成本大幅提高。
碳化硼(B4C)，别名黑钻石，是已知最坚硬的三种材料之一，具有低密度、极高硬度和高弹性模量等出色的物理和机械性能，是一种理想的增强材料。但是，作为增强填料时，B4C与基体间界面作用力弱，导致增强效果并不明显。改善填料的分散和填料-基体界面作用的方法有多种，如使用小分子表面活性剂和接枝聚合物链等。这些方法在一定程度上提升了界面作用，但降低了纳米增强填料本身的优越性能，并且在高温加工时由于有机交联分子的分解使得增强效果减弱。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，本发明涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼(GrO/B4C)复合填料的制备方法，并进一步将其应用于制备尼龙复合材料来增强尼龙的性能，在于充分利用尼龙优点的基础上，提供一种有效、低成本的技术来改善纳米复合材料界面问题，制备高性能尼龙复合材料。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硼与酸混合进行酸处理，加热、过滤、洗涤、干燥得到表面改性后的碳化硼粉末；
(2)将氧化石墨滤饼配制成氧化石墨悬浮液，加入步骤(1)得到的表面改性后的碳化硼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，氧化石墨被剪切剥离成氧化石墨纳米片，剥离生成的氧化石墨纳米片与表面改性后碳化硼进行组装，将剪切混合后的悬浊液静置，除去底部的固体残余物，将上层悬浮液干燥得到组装好的氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料粉体。
其中，步骤(1)中的酸处理的酸为硝酸、硫酸、盐酸中的任意一种或几种的混合，优选65wt％硝酸。溶液pH值为0.5～3，加热条件为60～120℃，处理时间4～12h。优选80～100℃处理8h。将酸处理后的溶液抽滤，用润洗液洗涤滤饼，保证酸被完全洗去。润洗液要求能快速带走滤饼中的酸，一般选用去离子水或乙醇。
步骤(1)中，洗涤方式为用去离子水洗涤至pH值至6～7，干燥方式采用冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥中的任意一种。优选冷冻干燥，能保持B4C填料形貌。
氧化石墨滤饼中氧化石墨的平均粒径大于100μm，配制成浓度为5～40g/L的氧化石墨悬浮液，优选10g/L，该浓度下溶液粘度合适，更容易剪切分散，不易飞溅浪费，且此浓度下分散液具有液晶相，剪切分散后取向性更高；加入氨水调节pH值至中性，优选调至pH为8，氧化石墨在弱碱性下分散剥离效果更好。
步骤(2)中剪切剥离转速为3000～5300rpm，剥离时间为0.5～3h，使大尺寸氧化石墨剥离成氧化石墨纳米片。优选500rpm分散5min，3800rpm分散1h。
在某些具体实施方式中，取改性的B4C粉末1～10g与200～500g弱碱性氧化石墨分散液混合，在室温下以500～5500rpm剪切混合0.1～2h，优选500rpm分散5min，3800rpm分散1h。
步骤(2)中，碳化硼原料形貌为纳米薄片、纳米线或纳米颗粒，其中，纳米薄片尺寸参数为1～10μm，厚度100～1000nm；纳米线长度为2～15μm，直径为50～200nm；纳米颗粒粒径50～500nm。优选B4C纳米片，能够更好的与GrO自组装。
本发明进一步提出了一种尼龙复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将一定量的尼龙材料颗粒溶解在溶剂中，加入上述制备方法制备得到的氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料粉体，超声处理至均匀分散，放置真空干燥箱干燥以去除溶剂，得到尼龙复合材料；优选地，超声分散30～50min，真空干燥8～12h除去溶剂。优选60℃干燥2h，80℃干燥3h，90℃干燥3h；通过逐步升温干燥，可以避免由于迅速改造，导致表面尼龙结膜，抑制内部溶剂完全除去。
2)将尼龙复合材料加入到双螺杆挤出机中进行内循环，熔融混合后挤出成型，得到氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料增强的尼龙复合材料。
其中，所述尼龙材料包括尼龙66、尼龙56、尼龙54、尼龙65、尼龙610和尼龙1212中的至少一种。优选PA56，分子量为15000～20000。
尼龙溶解于溶剂中的质量浓度为15～25wt％，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲酸、三氟乙酸和三氯乙酸的一种或几种，所用溶剂特征为能溶解尼龙，能分散氧化石墨纳米片/碳化硼填料，易于去除。优选甲酸，因为GrO/B4C复合填料在甲酸中分散性较好，且甲酸便于去除。
氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的添加量占尼龙的质量分数0.1～2wt％，优选地，添加量为0.1～0.5wt％。
制备出的尼龙复合材料的形态为母粒或样条，其中母粒通过切粒获得，标准样条通过注塑获得。
有益效果：本发明将氧化石墨浆料与表面改性后的B4C高速剪切以进行剥离和组装，氧化石墨浆料在高速剪切剥离下形成高比表面积的GrO，通过氢键和π-π相互作用与B4C自组装成GrO/B4C复合填料，利用GrO表面丰富的活性官能团与基体材料形成强的结合力，进而显著改善B4C与基体材料之间界面结合弱的问题。本发明通过高速剪切，将氧化石墨浆料剥离成氧化石墨纳米片，并与表面处理后的B4C进行原位组装，得到一种GrO/B4C复合填料。借助溶剂混合法与熔融共混法结合的方式，GrO/B4C复合填料均匀分散在尼龙基体中，GrO与B4C产生协同作用，在不影响尼龙自身加工性能的基础上大幅提升了尼龙材料的机械性能，并提高了尼龙材料的热稳定性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明制备得到的GrO/B4C复合填料SEM微观表征；
图2为本发明制备得到的GrO/B4C复合填料的EDS元素分析，为说明GrO与B4C成功自组装，GrO片包裹在B4C上；
图3为本发明制备得到的GrO/B4C复合填料的XRD表征，通过与标准卡片对比，证明本发明制备的填料确为GrO/B4C复合填料。
具体实施方式
本发明选择高比表面积的氧化石墨纳米片(GrO)作为优良界面剂，通过高速剪切氧化石墨浆料获得GrO，并将其与B4C组装形成复合填料，采用溶液混合法与熔融共混法结合的方式提高GrO/B4C填料在尼龙基体中的分散性。本发明得到的尼龙复合材料机械性能得到明显提升，并且具有较好的热稳定性。此外，本发明复合填料添加量仅千分之几，成本较低。
下面通过具体实施例详细说明本发明。下述实施例中采用的B4C粉末均为纳米薄片，纳米薄片尺寸参数为1～10μm，厚度100～1000nm，市购得到。
实施例1
(1)将5gB4C粉末和60mL硝酸(65wt％)混合，搅拌10min后将反应温度提高到100℃，继续反应8h。反应溶液真空过滤，用去离子水反复润洗至润洗液变为中性，将滤饼在–10℃冷冻后冷冻干燥24h，得到表面改性的B4C填料。
(2)将氧化石墨滤饼稀释成氧化石墨水分散液，浓度为10g/L。机械搅拌预分散30min，保证水分散液中没有大颗粒氧化石墨，滴加氨水调节pH值至8。称取400g氧化石墨浆料，按2:1(GrO:B4C)填料比例加入表面改性的B4C粉末。在高速剪切分散机中分散，分散条件为500rpm分散5min，3800rpm分散1h。静置3h以上，去除底部固体残留物，将上层分散液冷冻干燥，得到GrO/B4C复合填料。本实施例制备的GrO/B4C复合填料的标准结果如图1至图3所示。从图中可以看出，GrO与B4C成功自组装，GrO片分散包裹在B4C上，成功制备了GrO/B4C复合填料。
(3)将尼龙56材料搅拌溶解到甲酸中，配制成20wt％尼龙56/甲酸溶液。根据尼龙56/甲酸中尼龙56的质量加入0.1wt％的GrO/B4C复合填料，超声分散10min，将分散液在60℃真空干燥2h，升温至80℃继续真空干燥3h，再次升温到90℃真空干燥3h以完全除去溶剂。
(4)采用双螺杆挤出机将得到的尼龙56-GrO/B4C复合材料进行熔融共混。其中，螺杆转速50rpm，一区温度220℃、二区温度250℃、三区温度260℃，内循环10min。将共混后的复合材料用注塑机制备成标准样条进行机械性能测试，测试结果如表1。
实施例2
将实施例1中GrO:B4C比例调整为4:1，其他实施内容均不变，得到标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
实施例3
将实施例1中GrO:B4C比例调整为1:1，其他实施内容均不变，得到标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
实施例4
将实施例1中GrO/B4C复合填料的添加量调整为0.3wt％，其他实施内容均不变，得到标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
实施例5
将实施例1中GrO/B4C复合填料的添加量调整为0.5wt％，其他实施内容均不变，得到标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
实施例6
将实施例1中GrO/B4C复合填料的添加量调整为2wt％，其他实施内容均不变，得到标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
实施例7
(1)将氧化石墨滤饼稀释成氧化石墨水分散液，浓度为10g/L。机械搅拌预分散30min，保证水分散液中没有大块氧化石墨，滴加氨水调节pH值至8。称取400g氧化石墨浆料，按2:1(氧化石墨:B4C)填料比例加入表面未改性的B4C粉末。在高速剪切分散机中分散，分散条件为500rpm分散5min，3800rpm分散1h。静置3h以上，去除底部固体残留物，将上层分散液冷冻干燥，得到GrO/B4C复合填料。
(2)将尼龙56材料搅拌溶解到甲酸中，配制成20wt％尼龙56/甲酸溶液。根据尼龙56甲酸溶液中尼龙56的质量加入0.3wt％的GrO/B4C复合填料，超声分散10min，将分散液在60℃真空干燥2h，升温至80℃继续真空干燥3h，再次升温到90℃真空干燥3h以完全除去溶剂。
(3)采用双螺杆挤出机将得到的尼龙56-GrO/B4C复合材料进行熔融共混。其中，螺杆转速50rpm，一区温度220℃、二区温度250℃、三区温度260℃，内循环10min。将共混后的复合材料用注塑机制备成标准样条进行机械性能测试，结果如表1。
对比例1
(1)将尼龙56材料搅拌溶解到甲酸中，配制成20wt％尼龙56/甲酸溶液。将尼龙56甲酸溶液在60℃真空干燥2h，升温至80℃继续真空干燥3h，再次升温到90℃真空干燥3h以完全除去溶剂。
(2)采用双螺杆挤出机将固化后的尼龙56材料进行熔融共混。其中，螺杆转速50rpm，一区温度220℃、二区温度250℃、三区温度260℃，内循环10min。将共混后的尼龙56熔体用注塑机制备成标准样条，记为对比样1，其机械性能如表1。
表1尼龙56-GrO/B4C标准样条机械性能和热稳定性
性能 拉伸强度/MPa 杨氏模量/MPa 热分解20％时温度/℃
测试标准 GB1040 GB1040 GB/T 27761-2011
实施例1 73 2770 410.5
实施例2 58 2356 409.1
实施例3 55 2518 412.3
实施例4 94 3345 418.7
实施例5 82 3578 424.1
实施例6 48 4220 439.7
实施例7 71 2653 417.3
对比例1 49 585 405.2
通过表1可知，本发明制备的GrO/B4C复合填料能显著提升尼龙树脂机械性能和热稳定性。GrO/B4C复合填料混合比例为2:1时提升效果最佳，其原因在于GrO表面具有丰富官能团，提高其添加比例提高有助于提升GrO/B4C与尼龙基体之间的界面结合力。但由于B4C的表面积和活性位点有限，当GrO添加量进一步提高时GrO与B4C自组装受限，存在未与B4C组装的游离GrO，不利于最终材料性能提升。另外，GrO/B4C(2:1)复合填料添加量为0.3wt％时材料性能最佳，在较高添加量(2wt％)时材料性能急剧下降，主要是因为随着GrO/B4C复合填料含量增加，其自身的相互作用增强并产生团聚现象，团聚部位形成材料的缺陷，导致性能下降。
本发明利用氧化石墨纳米片作为优良的界面改性剂，通过对碳化硼表面处理，经过剪切分散后，氧化石墨纳米片与碳化硼自组装得到氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料，改善刚性碳化硼纳米填料与尼龙基体间的界面相互作用，采用溶液混合法与熔融共混法结合的方式，有效提高填料在尼龙基体中的分散性。本发明实现了氧化石墨纳米片和碳化硼的协同作用，增强了尼龙的机械性能，并提高了热稳定性。
本发明提供了一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其对尼龙的增强，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将碳化硼与酸混合进行酸处理，加热、过滤、洗涤、干燥得到表面改性后的碳化硼粉末；
（2）将氧化石墨滤饼配制成氧化石墨悬浮液，加入步骤（1）得到的表面改性后的碳化硼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，氧化石墨被剪切剥离成氧化石墨纳米片，剥离生成的氧化石墨纳米片与表面改性后碳化硼进行组装，将剪切混合后的悬浊液静置，除去底部的固体残余物，将上层悬浮液干燥得到组装好的氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料粉体，其中，碳化硼原料形貌为纳米薄片，纳米薄片尺寸参数为1~10μm，厚度100~1000nm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的酸处理的酸为硝酸、硫酸、盐酸中的任意一种或几种的混合，溶液pH值为0.5~3，加热条件为60~120℃，处理时间4~12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，洗涤方式为用去离子水洗涤至pH值至6~7，干燥方式采用冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，氧化石墨滤饼中氧化石墨的平均粒径大于100μm，配制成浓度为5~40g/L的氧化石墨悬浮液，并加入氨水调节pH值至中性。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中剪切剥离转速为3000~5300rpm，剥离时间为0.5~3h，使大尺寸氧化石墨剥离成氧化石墨纳米片。
6.一种尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将一定量的尼龙材料颗粒溶解在溶剂中，加入权利要求1-5任一项制备方法制备得到的氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料粉体，超声处理至均匀分散，放置真空干燥箱干燥以去除溶剂，得到尼龙复合材料；
2）将尼龙复合材料加入到双螺杆挤出机中进行内循环，熔融混合后挤出成型，得到氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料增强的尼龙复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述尼龙材料包括尼龙66、尼龙56、尼龙54、尼龙65、尼龙610和尼龙1212中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，尼龙溶解于溶剂中的质量浓度为15~25wt%，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲酸、三氟乙酸和三氯乙酸的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的添加量占尼龙的质量分数0.1~2wt%。
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