一種有機-無機雜化復合材料制備方法技術

本發明專利技術公開了一種有機-無機雜化復合材料制備方法，將無機納米材料與粘度相對較低的高分子材料共混后加入一臺熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層；復合熔體經過K個層疊器后，每個層疊器有m個分隔與疊加流道，得到2×mk層的多層結構復合材料。本發明專利技術可廣泛應用于制備有機-無機雜化復合材料，材料來源廣泛、工藝簡單，而且無機納米材料在復合材料中獲得良好的可控取向和均勻分散，可以制備出具有導電性或具有氣密性的有機-無機雜化復合材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于復合材料成型加工領域，更具體地說，是涉及一種有機-無機雜化復合材料加工制備的方法。
技術介紹
有機-無機雜化復合材料是20世紀80年代中期以來迅速發展的一種新型復合材料，有機-無機雜化復合材料是有機相和無機相在納米甚至分子水平上結合形成的一種復合材料。有機-無機雜化復合材料既具有高分子材料柔韌性、易加工、柔軟性等優點，又具有無機材料的高硬度、耐溶劑、高模量等機械性能及優良的導電、阻隔等性能。因此有機-無機雜化復合材料在制備復合型導電高分子材料和高性能氣體阻隔材料等方面有著廣闊的應用前景，成為近年來高分子物理和材料科學領域的研究熱點。有機-無機雜化復合材料現有的制備方法有溶膠-凝膠法、插層法、共混法、LB膜法、分子沉淀法、自組裝法等方法。由于無機相的化學活性較高，分散過程中有機或無機相容易聚集，相分離現象嚴重。通過現有制備方法生產的有機-無機雜化復合材料中無機相分布不均勻、易發生團聚，無機納米材料取向分布的隨機性，使得有機-無機雜化復合材料還遠沒有達到所期望的性能指標。因此，要想獲得性能優異的有機-無機雜化復合材料，還需要尋求更加有效的復合材料制備方法，以克服上述不足。
技術實現思路
針對現有技術在制備有機-無機雜化復合材料方面的不足，本專利技術旨在提供一種結構簡單、無機納米材料可控取向的有機-無機雜化復合材料制備方法。實現上述目的的制備有機-無機雜化復合材料的方法是將無機納米材料與粘度相對較低的高分子材料共混后加入一臺熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層，疊合后的復合熔體中兩層熔體厚度可以相同也可以不同，各層的厚度靠調節塑化供料裝置轉速以及匯流器中各層流道的間隙來控制；匯流器出口與層疊器入口對接，復合熔體在離開匯流器進入層疊器的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分在層疊器中繼續向前流動時旋轉90°并且展寬m倍，厚度減薄到1/m倍，成為分支熔體，在此過程中無機納米材料沿流動方向取向，取向后疊加形成各層沿流動平面的展開與取向。分支熔體在出口端匯流成為2Xm層的出口熔體，層疊器入口熔體通道尺寸與旋轉90°的出口熔體通道尺寸相同；如果串聯k個同樣的層疊器，則可得到2 Xmk層的多層結構復合材料，最后一個層疊器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經過成型裝置得到層狀復合材料，其中的m為不小于二的整數，k為不小于一的整數。在經歷多次展寬減薄的流變過程之后，交替層狀分布的結構使得無機納米材料獲得均勻的分散狀態，同時層疊單元中的微層拖曳流場也使得無機納米材料沿流動平面取向實現了可控取向。本專利技術采用熔體分割后扭轉90度同時展寬的流道特點，各層之間熔體流道相同， 層間對稱性好，展寬可從中間向外進行，熔體流動均勻，而且設計制造工藝簡單，精度容易保證，并且對物料的適應性大大提高，在這個過程中，同時實現納米粒子的分散和可控取向。本專利技術，得到的復合材料由無機納米材料、高分子材料的混合層與高分子基體材料層交替層疊而成，其中無機納米材料可以是碳纖維、碳納米管、蒙脫土、石墨烯等。本專利技術可廣泛應用于制備有機-無機雜化復合材料，材料來源廣泛、工藝簡單，而且無機納米材料在復合材料中獲得良好的可控取向和均勻分散，可以制備出性能優異的有機-無機雜化復合材料。附圖說明圖1是本專利技術一種有機-無機雜化復合材料截面形貌結構示意圖。圖2是本專利技術一種有機-無機雜化復合材料制備裝置(擠出成型)示意圖。圖3是本專利技術一種有機-無機雜化復合材料疊層復合原理示意圖。圖中1-1無機納米材料與高分子材料混合層，1-2高分子基體材料層，1塑化供料裝置，2匯流器，3層疊器，4成型模頭，3-1入口熔體，3-2分支熔體，3-3出口熔體。具體實施例方式下面，將基于本專利技術的實例進行具體說明，但本專利技術并非只限定于此實施例。實施例1本專利技術一種有機-無機雜化復合材料，無機納米材料可為碳纖維、碳納米管等導電填料，高分子基體材料為PE，通過層疊器后，由于碳纖維、碳納米管等線性結構，實現高分子基體中無機納米材料的可控取向，大幅度地降低其導電逾滲值，在基體中形成導電網絡， 從而制備出具有導電功能的高分子材料，應用于煤礦開采、石油天然氣運輸、電子電器包裝、紡織等領域。無機納米材料與高分子材料混合層1-1選擇為碳纖維或碳納米管與PA6的混合物，由于PA6為極性材料，HDPE為非極性材料，兩種材料間相容性差，需要在PE中添加相容劑馬來酸酐得到接枝高密度聚乙烯(MAH-g-HDPE)，在界面發生化學反應，從而使得無機納米材料與高分子材料混合層1-1與高分子基體材料層HDPE 1-2有較好的粘結性。本專利技術一種有機-無機雜化復合材料的制備方法是將無機導電材料混合料與 HDPE分別裝入兩臺熔融塑化供料裝置1，塑化供料裝置1為單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機， 匯流器2將來自兩個塑化供料裝置1的兩層熔體疊合成一層。匯流器2與層疊器3對接， 復合熔體在離開匯流器3進入層疊器3的入口熔體3-1沿寬度方向平均分割成4等分，每一等分在層疊器中繼續向前流動時旋轉90°并且展寬4倍，厚度減薄到1/4倍，成為分支熔體3-2，在出口端相互匯流成為2X4層的出口熔體3-3，層疊器入口熔體3-1通道尺寸與旋轉90°的出口熔體3-3通道尺寸相同；疊層結構的熔體在離開層疊器3時不分割，這樣 k個層疊器3對接后與成型裝置連接后得到制品，得到2X4k層的熔體。在展寬和變薄再層疊的過程中，碳納米管、碳纖維得到取向，層疊原理見圖3所示，因而獲到的層狀復合材料具有優異的導電性能。成型裝置4的熔體入口與層疊器3的熔體出口形狀相同，熔體在成型裝置4中逐漸過渡到口模需要的截面尺寸，最后獲得擠出制品。通過成型口模的制品可直接生產板材， 也可通過增設輔機來生產薄膜、型材。該類制品導電層分多層排布于高分子材料層之間，垂直于熔體流動方向和沿著流體流動平面方向導電性不同，例如管材，沿壁厚方向不導電，而沿管材軸線方向導電，在礦井及輸油管道應用等場合，管材表面劃傷不影響其導電性。實施例2本專利技術一種有機-無機雜化復合材料，無機納米材料可為蒙脫土(MMT)、水滑石或石墨烯等片狀納米材料，高分子基體材料為成本較低的天然橡膠，通過疊層裝置后，片層結構的無機納米材料在高分子鏈團中處于可控取向，MMT片層被剝離成薄片并均勻分散在橡膠基質中，由于MMT片層大小不等的片形結構，小分子不可能直接穿過片層表面，只有通過改變路徑來層層滲入，因而，當層數較多層間距較薄時，獲到的層狀復合材料具有優異的氣密性，復合材料層數及每層的厚度由應用場合的要求確定，可用于各種輪胎的內胎、無內胎輪胎等領域。阻隔材料混合料1-1選擇為蒙脫土與油或乳膠的混合物，其中的蒙脫土是一種層狀結構的硅酸鹽，其表面呈親水性，不利于其在有機相中分散以及被有機相潤濕，為克服此性狀，必須使蒙脫土表面進行處理使其呈疏水性，從而使蒙脫土與橡膠1-2有較好的粘結性。本專利技術是將橡膠原料與阻隔材料混合料分別裝入熔融塑化供料裝置1，阻隔材料為蒙脫土與油或乳膠的混合物，熔融塑化供料裝置 1為單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機，匯流器2將來自兩個塑化供料裝置2的兩層熔體疊合成一層。匯流器2與層疊器3對接，復合熔體在離開匯流器3進入層疊器3的入口熔體3-1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種有機－無機雜化復合材料制備方法，其特征在于：將無機納米材料與粘度相對較低的高分子材料共混后加入一臺熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層；匯流器出口與層疊器入口對接，復合熔體在離開匯流器進入層疊器的入口熔體沿寬度方向平均分割成ｍ等分，每一等分在層疊器中繼續向前流動時旋轉９０°并且展寬ｍ倍，厚度減薄到１／ｍ倍，成為分支熔體，在此過程中無機納米材料沿流動方向取向；分支熔體在出口端匯流成為２×ｍ層的出口熔體，層疊器入口熔體通道尺寸與旋轉９０°的出口熔體通道尺寸相同；如果串聯ｋ個同樣的層疊器，則可得到２×ｍｋ層的多層結構復合材料，最后一個層疊器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經過成型裝置得到層狀復合材料，其中的ｍ為不小于二的整數，ｋ為不小于一的整數。

【技術特征摘要】
1.一種有機-無機雜化復合材料制備方法，其特征在于將無機納米材料與粘度相對較低的高分子材料共混后加入一臺熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層；匯流器出口與層疊器入口對接，復合熔體在離開匯流器進入層疊器的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分在層疊器中繼續向前流動時旋轉90°并且展寬m倍，厚度減薄到1/m倍，成為分支熔體，在此過程中無機納米材料沿流動方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊衛民，王乾，鐘雁，焦志偉，謝鵬程，王德禧，丁玉梅，
申請(專利權)人：北京化工大學，
類型：發明
國別省市：11