CN115124775A - 一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法及制品应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法及制品应用，制备方法将稻壳进行选择性热解、定向粉碎，控制其结构中硅和碳的比例，及纳尺度形貌和微尺度粒径，将得到的硅炭粉体进行改性，与树脂材料进行复合造粒，所制复合材料可应用于诸多领域，耐磨性、抗老化性好，可替代部分黑色母，具有较高的硬度及抗冲击性，密度小，可实现汽车应用领域的轻量化标准。本发明以稻壳热解后的稻壳炭为原料，充分利用了生物质热解所产生的废料，使硅炭黑具有无毒无害、无异臭味、无刺激性气味的特性，并通过欧盟REACH规所列的VHC、ROHS六项有害物质含量的检测，利用该材料制备的复合材料同样具有无毒无害无异臭味、无特殊刺激性气味的特性。

Description

一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法及制品应用

技术领域

本发明属于树脂、橡胶等复合材料化工技术领域，具体涉及一种纳微结构炭材料的复合材料的制备方法及制品应用。

背景技术

目前，在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，采用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时，高聚物表面处理也不够理想。

我国纳微结构复合材料研究起步虽晚但发展很快，漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究；黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳微结构材料由于独特的性能，使其在高聚物复合材料中的应用十分广泛，并有着重大意义。特别是廉价的纳微结构复合材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步和采用先进的设备和工艺提高分散效果后，纳微结构复合材料逐步向工业化方向发展和应用前景更加诱人。

但目前未见以纳微结构的硅炭材料制备复合材料的方法及其制品应用的相关报导。如能研发一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，不仅可以提高稻壳制备的硅炭纳微结构材料利用率，拓宽其应用范围，还能赋予所制复合材料各项优异的性能。

发明内容

针对以上问题及市场前景，并基于现有的技术理论，本发明提供了一种利用硅炭纳微结构材料制备复合材料的方法及对应的制品应用，利用创新的工艺技术配合选用的专用设备来控制制得纳微结构的硅炭材料，同时利用制得的硅炭材料经过表面处理密炼混炼，最后经挤出造粒制得硅炭纳微结构复合材料。该复合材料由10％-90％的硅炭纳微结构材料和10％-85％的聚乙烯、聚丙烯、ABS等树脂材料或橡胶材料添加5％左右的偶联剂、抗氧化剂及分散剂等混炼而成，其工艺过程包括热解、粉碎、输送、混炼(密炼)、挤出造粒等几个主要环节。

此方法制得的纳微结构复材料不但提高了利用稻壳制备的硅炭纳微结构材料利用率，同时得益于利用该材料制备的复合材料可以为实际应用中带来环保、轻量化、抗腐蚀抗老化等优异的性能。

为了解决上述问题，制备出性能优异的纳微结构复合材料，本发明采用的技术方案为：

一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、称取100KG经筛分净化、选择性热解、定向粉碎处理后的纳微结构材料；

B、将称取的纳微结构材料粉体加入高搅锅中，锅温120℃高速预热使粉体温度达到90℃，按每100kg成品单位的0.5％-1.5％、0.5％-1％及1％-2％再分别加入偶联剂、促进剂、抗氧化剂中的一种或几种进行高速搅拌并加热，当物料温度达到预定温度时加入处理剂进行表面修饰或改性，继续搅拌5-8分钟后接出备用；

C、将处理过的纳微结构材料按每100kg成品单位的10％-30％称取，加入低速混合锅中；

D、将复合材料基料按每100kg成品的50％-85％称取加入低速混合锅中；

E、将分散剂、增韧剂、润滑剂及抗老化剂中的一种或几种加入低速混合锅中，与表面修饰的纳微结构材料以及复合材料基料进行混炼、密炼；其中，所述分散剂按每100kg成品的1％-5％加入低速混合锅中；增韧剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；润滑剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；抗老化剂按每100kg成品的1％-2％加入低速混合锅中；

F、将步骤F所得混合物料经挤出造粒装置进行挤出造粒。

进一步地，步骤A中，所述纳微结构材料为稻壳基硅炭纳微结构材料，其中的炭硅比例在1：0.9-1：1.1之间，其粉体粒径在10μm-30μm之间，稻壳基硅炭纳微结构材料在复合材料中根据不同性能要求的占比为10％-90％。

更进一步地，所述稻壳基硅炭纳微结构材料的纳尺度形貌为六方晶体结构，呈现弱碱性，其介质中形成了多微孔的疏松结构，具有较大的比表面积和微孔结构，表面官能团丰富，如羟基、羧基、醚键、脂羰基等，有物理吸附和化学吸附双重特性，微尺度粒径根据不同性能要求为1微米-35微米之间。

进一步地，步骤B中，物料温度在70℃-105℃之间，处理剂为铝酸脂类处理剂，其添加比分为0.5％-1.5％之间，高速搅拌时间为3-5min。

更进一步地，所述物料温度为90℃。

进一步地，步骤D中，所述复合材料基料为聚乙烯、聚丙烯或ABS树脂。

进一步地，步骤E中，低速混合的转速在80-200r/min，混合温度为35℃-90℃之间。

进一步地，步骤F中，造粒设备为同向双螺杆挤出机，切粒方式为水冷拉条切粒或水环热切，挤出机升温至150℃-200℃，转速220-350r/min。

一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法所制制品应用，其特征在于，所制复合材料能够应用于给排水管材、汽车内外饰制品、各种电器设备外壳、电缆包覆料领域。

进一步地，所述复合材料包括聚乙烯、聚丙烯等烯烃类、ABS以及橡胶复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提拱了一种稻壳基纳微结构硅炭材料的复合材料的制备方法，无需额外的添加硅类物质，利用了稻壳炭中天然的炭和二氧化硅，达到了二氧化硅在炭黑中起到的作用和效果；同时，作为生物质环保型新型材料，稻壳基纳微结构炭材料的复合材料的制品，体现出质量更轻、无异味、具有对有害挥发物吸附性等；稻壳基硅炭纳微结构材料在该类产品中的应用，实现了稻壳基纳微结构炭材料的工业量产化、规模化，使稻壳农业废弃资源在化工领域得到充分利用；采用本方法生产稻壳基纳微结构炭材料，生产工艺简单，可操作性强，可以迅速的推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1稻壳基纳微结构炭材料的复合材料的制备方法步骤流程图；

图2稻壳600℃下热解炭化后微观图；

图3制得的稻壳基纳微结构炭材料；

图4利用稻壳基纳微结构炭材料制得的纳微结构复合材料。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步的说明，本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

本发明提供了一种纳微结构炭材料的复合材料的制备方法及制品应用，先将制得的稻壳基硅炭纳微结构材料加入偶联剂、促进剂、抗氧化剂等中的一种或几种来进行高速混炼处理，将处理后的稻壳基硅炭纳微结构材料和复合材料基料聚乙烯(或聚丙烯、ABS等树脂)按比例称取，再加入一定比例的润滑剂、分散剂、抗老化剂等中的一种或几种进行混合，将混合好的物料加入到同向双螺杆挤出机中进行造粒，最终制得稻壳基硅炭纳微结构的复合材料、改性合金材料及汽车内饰专用材料等。

该方法包括以下步骤：

1、将筛分净化、选择性热解、定向粉碎制得的纳微结构材料称取100kg；所述纳微结构材料为稻壳基硅炭纳微结构材料，其中的炭硅比例在1：0.9-1：1.1之间，其粉体粒径在10μm-30μm之间，稻壳基硅炭纳微结构材料在复合材料中根据不同性能要求的占比为10％-90％。

所述稻壳基硅炭纳微结构材料的纳尺度形貌为六方晶体结构，呈现弱碱性，其介质中形成了多微孔的疏松结构，具有较大的比表面积和微孔结构，表面官能团丰富，包括羟基、羧基、醚键及脂羰基等，有物理吸附和化学吸附双重特性，微尺度粒径根据不同性能要求为1微米-35微米之间。

2、将称取的纳微结构材料粉体加入高搅锅，锅温120℃高速预热使粉体温度达到90℃，按每100kg成品单位的0.5％-1.5％、0.5％-1％及1％-2％，再分别加入偶联剂、促进剂、抗氧化剂中的一种或几种进行高速搅拌并加热，当物料温度达到预定温度时加入处理剂进行表面修饰或改性，继续搅拌5-8分钟后接出备用。物料温度在70℃-105℃之间，优选90℃，该温度可满足大部分处理剂达到熔融状态，同时不破坏其自身结构，能够更好的与物料进行相互融合。处理剂为铝酸脂类处理剂，其添加比分为0.5％-1.5％之间，高速搅拌时间为3-5min。

3、将处理过的硅炭纳微结构材料按每100kg成品单位的10％-30％称取，加入低速混合锅中。

4、将复合材料基料聚乙烯(或聚丙烯、ABS等树脂)按每100kg成品的50％-85％称取加入低速混合锅中。

5、将分散剂、增韧剂、润滑剂及抗老化剂中的一种或几种混合加入低速混合锅中，与表面修饰的纳微结构材料以及复合材料基料进行混炼、密炼；其中，所述将分散剂按每100kg成品的1％-5％加入低速混合锅中；增韧剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；润滑剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；抗老化剂按每100kg成品的1％-2％加入低速混合锅中；低速混合的转速在80-200r/min，混合温度为35℃-90℃之间。

6、将混合物料经挤出造粒装置进行挤出造粒。造粒设备为同向双螺杆挤出机，切粒方式为水冷拉条切粒或水环热切。挤出机升温至150℃-200℃，转速220-350r/min。

一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法所制制品应用，所制复合材料能够应用于给排水管材、汽车内外饰制品、各种电器设备外壳、电缆包覆料领域。所述复合材料包括聚乙烯、聚丙烯等烯烃类、ABS以及橡胶复合材料。

本发明利用专用设备及其固定的工艺参数使稻壳进行选择性热解、定向粉碎，控制其结构中硅和碳的比例，以及纳尺度形貌和微尺度粒径等，将得到的硅炭粉体进行改性，与树脂等材料进行复合造粒。所得到的复合材料主应用于给排水管材、汽车内外饰制品、各种电器设备外壳、电缆包覆料等领域。采用本材料制备的制品和在各领域的利用，具有更好的耐磨性、抗老化性，可以替代部分黑色母，同时具有较高的硬度及抗冲击性，其真实密度小于传统材料，可以实现汽车应用领域的轻量化标准。所制材料是稻壳热解后的稻壳炭为原料，充分的利用了生物质热解所产生的废料，使本生产的硅炭黑具有无毒无害、无异臭味、无刺激性气味的特性，并通过欧盟REACH规所列的VHC、ROHS六项有害物质含量的检测，从而是利用该材料制备的复合材料同样具有无毒无害无异臭味、无特殊刺激性气味的特性。

实施例1

将粒径为10μm(±3μm)的稻壳基硅炭纳微结构材料称取15份加入混炼装置中，当物料温度达到70℃时，加入脂类处理剂0.15份，高速混炼5min后加入高密度低压聚乙烯和线性低压聚乙烯共85份，加入1份分散剂，1份抗氧化剂后，35℃-90℃，80-200r/min低速搅拌5分钟后排至同向双螺杆挤出机缓冲罐料斗中，将挤出机升温至165℃～190℃，转速220-280r/min进行挤出造粒，制得的PE类汽车风管专用改性复合材料。

实施例2

将粒径为20μm(±3μm)的稻壳基硅炭纳微结构材料称取20份加入混炼装置中，当物料温度达到70℃时，加入脂类处理剂0.2份，高速混炼5min后加入聚丙烯70份，加入增韧剂8份，分散剂1份，润滑剂1份，1份抗氧化剂，抗老化剂1.5份后，35℃-90℃，80-200r/min低速搅拌5分钟后排至同向双螺杆挤出机缓冲罐料斗中，将挤出机升温至160℃～190℃，转速260-350r/min进行挤出造粒，制得的PP类汽车门板、挡泥板等内外饰专用改性复合材料。

应用于汽车内外饰PP+EPDM+TD20材料检测数据

国家汽车零部件产品质量监督检验中心(长春)

实施例3

将粒径为35μm(±3μm)的稻壳基硅炭纳微结构材料称取70份加入混炼装置中，当物料温度达到90℃时，加入处理剂0.8份，高速混炼5min后加入聚乙烯30份，加入增韧剂1份，分散剂1份，润滑剂3份，1份抗氧化剂，抗老化剂1.5份，后，35℃-90℃，80-200r/min低速搅拌5分钟后排至同向双螺杆挤出机缓冲罐料斗中，将挤出机升温至150℃-180℃，转速260-350r/min进行挤出造粒，制得的P E类给排水管用填充母料等改性复合材料。

实施例4

将粒径为15μm(±3μm)的稻壳基硅炭纳微结构材料称取15份加入混炼装置中，当物料温度达到105℃时，加入处理剂0.2份，高速混炼3min后加入ABS树脂材料80份，加入分散剂1.5份，润滑剂2份，抗氧化剂1份，抗老化剂1.5份后，35℃-90℃，80-200r/min低速搅拌3分钟后排至同向双螺杆挤出机缓冲罐料斗中，将挤出机升温至170℃-200℃，转速260-350r/min进行挤出造粒，制得的ABS类汽车座椅背板等内外饰专用改性复合材料。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、称取100KG经筛分净化、选择性热解、定向粉碎处理后的纳微结构材料；

B、将称取的纳微结构材料粉体加入高搅锅中，锅温120℃高速预热使粉体温度达到90℃，按每100kg成品单位的0.5％-1.5％、0.5％-1％及1％-2％，再分别加入偶联剂、促进剂、抗氧化剂中的一种或几种进行高速搅拌并加热，当物料温度达到预定温度时加入处理剂进行表面修饰或改性，继续搅拌5-8分钟后接出备用；

C、将处理过的纳微结构材料按每100kg成品单位的10％-30％称取，加入低速混合锅中；

D、将复合材料基料按每100kg成品的50％-85％称取加入低速混合锅中；

E、将分散剂、增韧剂、润滑剂及抗老化剂中的一种或几种混合加入低速混合锅中，与表面修饰的纳微结构材料以及复合材料基料进行混炼、密炼；其中，所述分散剂按每100kg成品的1％-5％加入低速混合锅中；增韧剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；润滑剂按每100kg成品的2％-5％加入低速混合锅中；抗老化剂按每100kg成品的1％-2％加入低速混合锅中；

F、将步骤F所得混合物料经挤出造粒装置进行挤出造粒。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述纳微结构材料为稻壳基硅炭纳微结构材料，其中的炭硅比例在1：0.9-1：1.1之间，其粉体粒径在10μm-30μm之间，稻壳基硅炭纳微结构材料在复合材料中根据不同性能要求的占比为10％-90％。

3.根据权利要求2所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：所述稻壳基硅炭纳微结构材料的纳尺度形貌为六方晶体结构，呈现弱碱性，其介质中形成了多微孔的疏松结构，具有大的比表面积和微孔结构，表面官能团包括羟基、羧基、醚键及脂羰基，有物理吸附和化学吸附双重特性，微尺度粒径根据不同性能要求为1微米-35微米之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤B中，物料温度在70℃-105℃之间，处理剂为铝酸脂类处理剂，其添加比分为0.5％-1.5％之间，高速搅拌时间为3-5min。

5.根据权利要求4所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：所述物料温度为90℃。

6.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤D中，所述复合材料基料为聚乙烯、聚丙烯或ABS树脂。

7.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤E中，低速混合的转速在80-200r/min，混合温度为35℃-90℃之间。

8.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤F中，造粒设备为同向双螺杆挤出机，切粒方式为水冷拉条切粒或水环热切，挤出机升温至150℃-200℃，转速220-350r/min。

9.根据权利要求1所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法所制制品应用，其特征在于：所制复合材料能够应用于给排水管材、汽车内外饰制品、各种电器设备外壳、电缆包覆料领域。

10.根据权利要求9所述的一种基于纳微结构材料的复合材料的制备方法所制制品应用，其特征在于：所述复合材料包括聚乙烯、聚丙烯等烯烃类、ABS以及橡胶复合材料。

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