一種制備聚酯/層狀硅酸鹽納米復合材料的方法技術

本發明專利技術提供的一種制備聚酯／層狀硅酸鹽納米復合材料的方法，是采用熔融插層法，利用功能性共插層有機化層狀硅酸鹽材料提供的親有機環境和高活性反應基團，使層狀硅酸鹽材料與聚酯基體復合并以納米尺度均勻分散在聚酯基體中，從而制備高性能的聚酯納米復合材料。本發明專利技術的制法操作簡單，生產效率高，成本低，對環境無污染且獲得的納米復合材料性能優越。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種聚酯/層狀硅酸鹽納米復合材料，特別涉及到采用熔融插層法、利用功能性共插層有機化層狀硅酸鹽材料與聚酯基體復合并以納米尺度均勻分散在聚酯基體中，從而制備高性能的聚酯納米復合材料。1.專利技術背景本專利技術涉及一種聚酯納米復合材料，特別涉及到飽和聚酯與無機填料組成的復合材料。飽和聚酯是一種應用廣泛的工程塑料，廣泛應用于汽車零部件、電器件、纖維、飲料瓶及薄膜等方面。但是其熱變形溫度較低，濕熱環境下易分解，導致機械物理性能劣化，限制了應用。其熔融粘度很低影響加工過程。此外，即使在干燥條件下，聚酯的機械物理性能也稍顯不足，不足在重載荷下使用。早期的改性方法是采用無機填料填充聚酯，例如，用玻璃纖維增強聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，可以提高其強度、剛度及尺寸穩定性，但使材料的密度增加。此外還有加入碳酸鈣或云母等礦物填料來改善性能。提高性能的一個途徑是采用超細的無機物填充聚合物復合材料。但是，當填料粒徑尺寸小于0.1微米時，粒子極大的表面能使得粒子間的自聚集作用很大，采用傳統的共混方法，不能抵銷自聚集作用，不能使填料獲得超細納米水平上的均勻分散；另一方面，為改善填料和聚合物的界面粘接，通常采用硅烷偶聯劑或鈦酸酯類偶聯劑或其他具有與基體高分子鏈相似基團的有機高分子接枝物等界面相容劑，以改善填料在聚合物基體中的相容性。然而，填料與聚合物的化學結構和物理狀態相差甚大，現有的界面改性技術難以完全消除填料與聚合物基體間的界面張力，實現理想的均勻分散和界面粘接。因此，距離分子尺度的界面設計相差甚遠，復合材料達不到納米分散水平，而只屬于類微觀復合材料，影響了增強效應和耐熱性能的改善。近年來出現的一種新方法是利用層狀硅酸鹽制備聚合物納米復合材料。眾所周知，層狀硅酸鹽-例如鈉基蒙脫土或鈣基蒙脫土等蒙脫土礦物，可以被有機陽離子銨鹽在水等分散介質中插層，將有機小分子引入納米尺度的硅酸鹽片層之間，從而增加了片層間距并且使原本親水的硅酸鹽片層有機化，對有機物或高分子聚合物有好的相容性。在熱或/和剪切力的作用下，當有機高分子插入硅酸鹽片層之間，進一步增加層間距，使原本以30-200個硅酸鹽片層組成的硅酸鹽顆粒解離，即硅酸鹽以單個片層分散在聚合物基體中。硅酸鹽片層的基本厚度為0.96納米，納米材料的定義是材料中至少有一維尺度小于100納米，顯而易見，解離型層狀硅酸鹽/聚合物復合材料為納米復合材料。在層狀硅酸鹽/聚合物納米復合材料中，聚合物分子鏈與硅酸鹽片層在納米尺度-即分子尺度上復合，這將極大提升聚合物材料的性能。漆宗能等報導了通過聚合法制備聚酯/蒙脫土(蒙脫土-一種天然的層狀硅酸鹽礦物)納米復合材料的方法(J.Appl.Polym.Sci.71，1139，1999)。此方法的實施過程為，首先對蒙脫土進行插層膨脹化處理-即有機化處理，然后將有機蒙脫土與聚酯單體在反應釜內共同聚合獲得納米復合材料。獲得的納米復合材料的力學性能和熱性能得到了提高。上述方法的缺點是，在反應釜內進行插層聚合需要大型設備，并耗費大量的時間和能量，導致生產成本上升、生產效率下降。熔融插層法制備納米復合材料可以提高生產效率，降低生產成本，不需要專用反應設備，是近年來出現的一種新方法。例如美國專利5760121，將硅酸鹽與PET直接熔融插層，獲得納米復合材料。但此專利并未說明材料在性能上的提高。以上方法中，不管是采用插層聚合法還是熔融插層法，都使用的是無活性官能基團的有機插層劑或未經有機化改性的無機材料，只是利用靜電力或范德華力將硅酸鹽片層與聚酯分子鏈連接在一起。而只有無機填料與聚合物基體有強相互作用-例如化學鍵合，并達到納米尺度的分散，才可能將無機物的剛性，尺寸穩定性和耐熱性與聚合物的韌性、可加工性完美地結合起來，獲得性能優異的有機/無機納米復合材料。為了克服已有技術中的缺點，本專利技術提供一種利用熔融插層法制備具有優異力學性能的聚酯/層狀硅酸鹽納米復合材料及其制備方法。采用的層狀硅酸鹽經共插層有機化處理，同時具有親有機性和可反應性的特點，使聚酯分子鏈與片層間產生化學鍵合。2.本專利技術的要點熔融插層法是將聚酯及層狀硅酸鹽材料共同在擠出機或類似能提供剪切力及將聚酯加熱至熔點以上的設備中，在剪切力的作用下，使聚酯分子鏈插入到層狀硅酸鹽材料片層間，使聚酯分子鏈與硅酸鹽片層在納米尺度上進行復合，得到高分子聚合物/層狀硅酸鹽材料納米復合材料。其中無機硅酸鹽組份提供了優異的力學、熱穩定性及對水及小分子的阻隔作用，而有機高分子保證了良好的可加工性。本專利技術采用熔融插層法來制備聚酯/層狀硅酸鹽納米復合材料，充分利用了熔融法設備簡便、工藝簡單、生產效率高、對環境無污染等優點。同時采用更加有效的共插層有機硅酸鹽層狀材料，此材料是在無機硅酸鹽層狀材料的基礎上進行改性，利用有機季銨鹽及環氧化合物進行共插層處理，使層狀硅酸鹽材料有機化，增強與有機高分子的相容性使聚酯分子鏈易于進入片層間；同時將能與聚酯主鏈上的基團反應的環氧化合物置入硅酸鹽片層之間，在熔融條件下官能基團間的反應放熱可以使插層分散效果更好，并且使聚酯鏈牢固地連接在硅酸鹽片層上，進一步提高產物的性能。獲得的納米復合材料有以下特點優異的氧氣和水蒸氣阻隔性能、低吸濕性、高強度及剛度、高耐熱性、高透明性、耐油脂、耐化學腐蝕及高尺寸穩定性。3.對本專利技術所涉及的方法及材料的詳細說明本專利技術涉及到功能性共插層有機化層狀硅酸鹽材料及相應的聚酯納米復合材料的制備。本專利技術涉及到的功能性共插層有機化層狀硅酸鹽材料是通過對無機層狀硅酸鹽材料進行共插層有機化處理而得到。本專利技術涉及到的無機層狀硅酸鹽材料是指具有片層狀晶體結構的材料，片層厚度在0.5納米至2納米之間，片層長度及寬度在10納米至1000納米之間，片層與片層依靠分子間作用力或靜電力堆積起來。此類材料包括鈉基蒙脫土(sodium montmorillonite)、鈣基蒙脫土(calcium montmorillonite)、鎂基蒙脫土(magnesium montmorillonite)等蒙脫土類(smectite)、綠脫石(nontronite)、貝得石(beidelite)、富鉻綠脫石(volkonskoite)、鋰皂石(hectorite)、皂石(saponite)、鋅皂石(sauconite)、斯皂石(stevensite)、斑脫石(bentonite)、伊利石(illite)、高嶺土(kaolin)、蒙脫土與伊利石的復合物如累脫石(rectorite)等。除了以上天然礦物外，人工水熱合成的蒙脫土及皂石也包括在本專利技術所指的無機層狀硅酸鹽材料之中。適用于本專利技術的最佳材料是蒙脫土類，其單個片層厚度為約1納米。其單位晶胞由兩層硅氧四面體中間夾帶一層鋁氧八面體組成，兩者之間靠共用氧原子連接，晶胞在長度及寬度方向上連續生長構成單個片層。由于同晶置換現象，蒙脫土片層表面帶有負電荷，存在于片層之間的Na+、Ca2+、Mg2+等可交換性陽離子起到平衡電荷作用，利用有機陽離子銨鹽可以將Na+、Ca2+、Mg2+等交換出來，從而使片層表面有機化。使用前蒙脫土最好破碎至適當的粒徑，可用球磨機、振動磨、噴射磨等把粘土粉碎成所希望的顆粒尺寸，一般粒徑應在200目-400目。本專利技術涉及到的有機陽離子銨鹽具有如本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種涉及到聚酯／功能性共插層有機化層狀硅酸鹽材料的納米復合材料，其特征在于所述的納米復合材料的原料組分和含量如下：（重量份） 聚酯 １００ 層狀硅酸鹽材料 ０．１－３０ 有機陽離子銨鹽 ０．１－５０ 環氧化合物 ０．１－５０。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉曉輝，吳秋菊，
申請(專利權)人：王秀英，劉曉輝，吳秋菊，
類型：發明
國別省市：42[中國|湖北]