CN115477843A - 一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，属于树脂基复合材料制备技术领域。所述的方法步骤如下：配制氧化石墨烯分散液；计算并称量尼龙6单体及催化剂用量；原料混合；反应合成。本发明通过将氧化石墨烯预先均匀分散于尼龙6单体中，减少了传统方法制备氧化石墨烯增强尼龙6复合材料时氧化石墨烯的团聚现象，有利于提高氧化石墨烯对尼龙6的增强效果。同时，制备工艺简单、氧化石墨烯添加量可控。
Description
技术领域
本发明属于树脂基复合材料制备技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法。
背景技术
在许多制造业领域，产品的轻量化不仅能减少燃料的消耗、降低碳排放，还可以使产品的性能得到更好地发挥、延长产品的使用寿命，因此一直是许多行业的重要投资及研究方向，“以塑代钢”就是产品轻量化的重要手段之一。除了质量轻，高分子材料优异的耐磨损性、耐腐蚀性、耐烧蚀性、隔热性、阻燃性以及经济性，使得其问世以来，在衣、食、住、行乃至能源、信息、航空等领域都有了广泛的应用。
尼龙6作为第一种合成高分子材料，是工程塑料中最早开发的品种，经过多年的研究发展，是应用最广泛的高分子材料之一。尼龙6由己内酰胺聚合而成，线型的分子结构使其具有热塑性，即能够反复受热软化、冷却硬化，这使得尼龙6具有良好的加工性和可回收、重复利用性，有利于减少资源浪费和环境污染，因此在环境问题日益严重的今天仍具有巨大的应用前景。但尼龙6本身强度不高，且分子链中大量极性酰胺基团的存在使得尼龙6具有较强的吸湿性，进一步降低了尼龙6的强度和尺寸稳定性，因此需添加一定的增强相改善其性能。
氧化石墨烯是一种二维纳米材料，由石墨烯氧化而得，因此与石墨烯具有相同的结构，从而具有良好的力学性能；氧化过程赋予氧化石墨烯表面大量的含氧官能团使得氧化石墨烯更为活泼、能均匀分散于水溶液中，这使得氧化石墨烯在与其他材料复合过程中，相比于石墨烯，团聚现象有所改善。
目前，氧化石墨烯增强尼龙6复合材料的制备方法中多采用溶剂复合的方式，该方法虽然简单方便，但溶解尼龙过程中使用的有机溶剂毒性、污染性较大，而且在后期溶剂的去除过程中易造成氧化石墨烯的团聚，不仅限制了复合材料中氧化石墨烯的添加量，而且降低了氧化石墨烯的增强效果、影响最终复合材料的性能。因此，研究制备分散性较好的氧化石墨烯增强尼龙6复合材料对提高复合材料中氧化石墨烯的含量、充分发挥氧化石墨烯的优良性能、制备高性能复合材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决氧化石墨烯增强尼龙6复合材料制备过程中污染较大，氧化石墨烯易团聚等问题，提供一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，该方法向尼龙6中引入纳米增强相氧化石墨烯来提高尼龙的强度，同时通过改善氧化石墨烯在尼龙6中的分散情况、充分发挥氧化石墨烯优良的力学性能，如图2和3所示。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，所述方法步骤为：
步骤一：氧化石墨烯分散液的制备；
步骤二：计算并称量合成尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸；
步骤三：氧化石墨烯分散液与合成尼龙6原料及催化剂均匀混合；
步骤四：将步骤三所得的混合溶液放入管式加热炉中，以一定速率持续通入Ar气约1h以排除反应炉中的空气，保持Ar气的持续通入，随后设置加热温度及保温时长、启动加热炉，使反应在180℃保温2h后升温至260℃保温3h，最后降温至240℃保温15h，上述反应过程结束后停止加热，继续通入Ar气至样品温度降至50℃以下后取出，即可得到氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料。
进一步地，步骤一中，用烧杯称取氧化石墨烯浆料后用200-500倍的去离子水稀释，机械搅拌、超声分散1-2小时，得到2-5mg/ml的氧化石墨烯分散液。
进一步地，步骤二中，根据氧化石墨烯质量分数＝氧化石墨烯质量/成品质量*100％，按复合材料中氧化石墨烯质量分数为1.0wt％计算尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸用量。
进一步地，步骤二中，根据氧化石墨烯质量分数＝氧化石墨烯质量/成品质量*100％，按复合材料中氧化石墨烯质量分数为2.0wt％计算尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸用量。
进一步地，步骤二中，尼龙6的合成率按40％计算。由于制备过程中水及其他小分子物质的挥发，使得成品质量小于原料(己内酰胺+氨基己酸)质量，故本方法合成率＝成品质量/(己内酰胺+氨基己酸)质量＝40％。
进一步地，步骤二中，所述己内酰胺与氨基己酸的质量比为100：4.76。
进一步地，步骤三中，将称量好的己内酰胺与氨基己酸溶于量取的氧化石墨烯分散液中，机械搅拌10-15min使其充分溶解并混合均匀。
进一步地，步骤三中，混合溶液需机械搅拌10-15min。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明通过将氧化石墨烯预先均匀分散于尼龙6单体中，减少了传统方法制备氧化石墨烯增强尼龙6复合材料时氧化石墨烯的团聚现象，如图3所示，有利于提高氧化石墨烯对尼龙6的增强效果。同时制备工艺简单、氧化石墨烯添加量可控。
附图说明
图1为实施例1中制得的氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料示意图；
图2为实施例1中制得的氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料与未添加氧化石墨烯的纯尼龙6的力学拉伸曲线对比图；
图3为实施例1中制得的氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料断口的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
实施例1：
一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：
一、氧化石墨烯分散液的制备：按质量份数计，用烧杯称取一定量的氧化石墨烯浆料后用200-500倍的去离子水稀释，机械搅拌、超声分散1-2小时，得到一定浓度的氧化石墨烯分散液，测量所得分散液浓度为3.4mg/ml。
二、计算并称量合成尼龙6所需原料：量取15ml步骤一中所得的氧化石墨烯分散液(分散液密度近似水密度)，根据所要制备的复合材料中氧化石墨烯的质量分数0.5wt％，计算需要合成的尼龙6的质量，本发明中尼龙6的合成率约为40％，按质量份数计，根据合成尼龙6的原料己内酰胺：氨基己酸＝100：4.76称取所需的原料。
三、氧化石墨烯分散液与合成尼龙6原料均匀混合：将称量好的己内酰胺与氨基己酸溶于量取的氧化石墨烯分散液中，机械搅拌10min使其充分溶解并混合均匀。
四、设置合成条件，制备氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料：将上述过程所得的混合溶液放入管式加热炉中，以一定速率持续通入Ar气约1h以排除反应炉中的空气，保持Ar气的持续通入，设置加热温度及保温时长、启动加热炉，使反应在180℃保温2h，然后升温至260℃保温3h，最后降温至240℃保温15h。上述反应过程结束后停止加热，继续通入Ar气至样品温度降至50℃以下后取出，即可得到氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料。
五、对所得氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料进行力学拉伸测试，结果如图2所示，发现添加氧化石墨烯后，材料的拉伸断裂应力提高了62.5％。
Claims (8)
1.一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：
步骤一：氧化石墨烯分散液的制备；
步骤二：计算并称量合成尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸；
步骤三：氧化石墨烯分散液与合成尼龙6原料及催化剂均匀混合；
步骤四：将步骤三所得的混合溶液放入管式加热炉中，以一定速率持续通入Ar气约1h以排除反应炉中的空气，保持Ar气的持续通入，随后设置加热温度及保温时长、启动加热炉，使反应在180℃保温2h后升温至260℃保温3h，最后降温至240℃保温15h，上述反应过程结束后停止加热，继续通入Ar气至样品温度降至50℃以下后取出，即可得到氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，用烧杯称取氧化石墨烯浆料后用200-500倍的去离子水稀释，机械搅拌、超声分散1-2小时，得到2-5mg/ml的氧化石墨烯分散液。
3.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，根据氧化石墨烯质量分数＝氧化石墨烯质量/成品质量*100％，按复合材料中氧化石墨烯质量分数为1.0wt％计算尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸用量。
4.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，根据氧化石墨烯质量分数＝氧化石墨烯质量/成品质量*100％，按复合材料中氧化石墨烯质量分数为2.0wt％计算尼龙6单体己内酰胺及催化剂氨基己酸用量。
5.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，尼龙6的合成率按40％计算。
6.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述己内酰胺与氨基己酸的质量比为100：4.76。
7.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，将称量好的己内酰胺与氨基己酸溶于量取的氧化石墨烯分散液中，机械搅拌10-15min使其充分溶解并混合均匀。
8.根据权利要求3所述的一种氧化石墨烯原位增强尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，混合溶液需机械搅拌10-15min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221216 |