專利名稱：一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料成型加工領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料加工制備的方法。
背景技術(shù)：
有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代中期以來迅速發(fā)展的一種新型復(fù)合材料，有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料是有機(jī)相和無機(jī)相在納米甚至分子水平上結(jié)合形成的一種復(fù)合材料。有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料既具有高分子材料柔韌性、易加工、柔軟性等優(yōu)點(diǎn)，又具有無機(jī)材料的高硬度、耐溶劑、高模量等機(jī)械性能及優(yōu)良的導(dǎo)電、阻隔等性能。因此有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料在制備復(fù)合型導(dǎo)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(yīng)用前景，成為近年來高分子物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料現(xiàn)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(jī)相的化學(xué)活性較高，分散過程中有機(jī)或無機(jī)相容易聚集，相分離現(xiàn)象嚴(yán)重。通過現(xiàn)有制備方法生產(chǎn)的有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料中無機(jī)相分布不均勻、易發(fā)生團(tuán)聚，無機(jī)納米材料取向分布的隨機(jī)性，使得有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料還遠(yuǎn)沒有達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。因此，要想獲得性能優(yōu)異的有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料，還需要尋求更加有效的復(fù)合材料制備方法，以克服上述不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在制備有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料方面的不足，本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)納米材料可控取向的有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法。實(shí)現(xiàn)上述目的的制備有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料的方法是將無機(jī)納米材料與粘度相對(duì)較低的高分子材料共混后加入一臺(tái)熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺(tái)熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個(gè)塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層，疊合后的復(fù)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(diào)節(jié)塑化供料裝置轉(zhuǎn)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(duì)接，復(fù)合熔體在離開匯流器進(jìn)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(xù)向前流動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)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(jī)納米材料沿流動(dòng)方向取向，取向后疊加形成各層沿流動(dòng)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(zhuǎn)90°的出口熔體通道尺寸相同；如果串聯(lián)k個(gè)同樣的層疊器，則可得到2 Xmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，最后一個(gè)層疊器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型裝置得到層狀復(fù)合材料，其中的m為不小于二的整數(shù)，k為不小于一的整數(shù)。在經(jīng)歷多次展寬減薄的流變過程之后，交替層狀分布的結(jié)構(gòu)使得無機(jī)納米材料獲得均勻的分散狀態(tài)，同時(shí)層疊單元中的微層拖曳流場也使得無機(jī)納米材料沿流動(dòng)平面取向?qū)崿F(xiàn)了可控取向。
本發(fā)明采用熔體分割后扭轉(zhuǎn)90度同時(shí)展寬的流道特點(diǎn)，各層之間熔體流道相同， 層間對(duì)稱性好，展寬可從中間向外進(jìn)行，熔體流動(dòng)均勻，而且設(shè)計(jì)制造工藝簡單，精度容易保證，并且對(duì)物料的適應(yīng)性大大提高，在這個(gè)過程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米粒子的分散和可控取向。本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法，得到的復(fù)合材料由無機(jī)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(jī)納米材料可以是碳纖維、碳納米管、蒙脫土、石墨烯等。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于制備有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料，材料來源廣泛、工藝簡單，而且無機(jī)納米材料在復(fù)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(yōu)異的有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料。


圖1是本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料截面形貌結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備裝置(擠出成型)示意圖。圖3是本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料疊層復(fù)合原理示意圖。圖中1-1無機(jī)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(shí)施例方式下面，將基于本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行具體說明，但本發(fā)明并非只限定于此實(shí)施例。實(shí)施例1本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料，無機(jī)納米材料可為碳纖維、碳納米管等導(dǎo)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高分子基體中無機(jī)納米材料的可控取向，大幅度地降低其導(dǎo)電逾滲值，在基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)， 從而制備出具有導(dǎo)電功能的高分子材料，應(yīng)用于煤礦開采、石油天然氣運(yùn)輸、電子電器包裝、紡織等領(lǐng)域。無機(jī)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使得無機(jī)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(jié)性。本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料的制備方法是將無機(jī)導(dǎo)電材料混合料與 HDPE分別裝入兩臺(tái)熔融塑化供料裝置1，塑化供料裝置1為單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)， 匯流器2將來自兩個(gè)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(duì)接， 復(fù)合熔體在離開匯流器3進(jìn)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(xù)向前流動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90°的出口熔體3-3通道尺寸相同；疊層結(jié)構(gòu)的熔體在離開層疊器3時(shí)不分割，這樣 k個(gè)層疊器3對(duì)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(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)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(chǎn)板材， 也可通過增設(shè)輔機(jī)來生產(chǎn)薄膜、型材。該類制品導(dǎo)電層分多層排布于高分子材料層之間，垂直于熔體流動(dòng)方向和沿著流體流動(dòng)平面方向?qū)щ娦圆煌?，例如管材，沿壁厚方向不?dǎo)電，而沿管材軸線方向?qū)щ?，在礦井及輸油管道應(yīng)用等場合，管材表面劃傷不影響其導(dǎo)電性。實(shí)施例2本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料，無機(jī)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(jié)構(gòu)的無機(jī)納米材料在高分子鏈團(tuán)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(zhì)中，由于MMT片層大小不等的片形結(jié)構(gòu)，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(dāng)層數(shù)較多層間距較薄時(shí)，獲到的層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的氣密性，復(fù)合材料層數(shù)及每層的厚度由應(yīng)用場合的要求確定，可用于各種輪胎的內(nèi)胎、無內(nèi)胎輪胎等領(lǐng)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(jié)構(gòu)的硅酸鹽，其表面呈親水性，不利于其在有機(jī)相中分散以及被有機(jī)相潤濕，為克服此性狀，必須使蒙脫土表面進(jìn)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(jié)性。本發(fā)明一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法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(jī)或雙螺桿擠出機(jī)，匯流器2將來自兩個(gè)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(duì)接，復(fù)合熔體在離開匯流器3進(jìn)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(xù)向前流動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)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2 X 4層的出口熔體3-3， 層疊器入口熔體3-1通道尺寸與旋轉(zhuǎn)90°的出口熔體3-3通道尺寸相同；疊層結(jié)構(gòu)的熔體在離開層疊器3時(shí)不分割，這樣k個(gè)層疊器3對(duì)接后與成型裝置連接后得到制品，得到2 X 4k 層的熔體。在展寬和變薄再層疊的過程中，層疊原理見圖3所示，MMT得到取向，層疊原理見圖3所示，因而獲到的層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的氣密性。成型裝置4的熔體入口與層疊器4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，例如片材，最后獲得層狀復(fù)合材料。獲得的層狀復(fù)合材料片材經(jīng)過胎圈成型、簾布裁斷、貼三角膠條、帶束層成型及硫化工序獲得輪胎制品，最終經(jīng)過測試合格后投入使用。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法，其特征在于將無機(jī)納米材料與粘度相對(duì)較低的高分子材料共混后加入一臺(tái)熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺(tái)熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個(gè)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(duì)接，復(fù)合熔體在離開匯流器進(jìn)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(xù)向前流動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)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(jī)納米材料沿流動(dòng)方向取向；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(zhuǎn)90°的出口熔體通道尺寸相同；如果串聯(lián)k 個(gè)同樣的層疊器，則可得到2Xmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，最后一個(gè)層疊器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型裝置得到層狀復(fù)合材料，其中的m為不小于二的整數(shù)， k為不小于一的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備裝置及方法，其特征在于 無機(jī)納米材料為碳纖維、碳納米管、蒙脫土或石墨烯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料制備方法，將無機(jī)納米材料與粘度相對(duì)較低的高分子材料共混后加入一臺(tái)熔融塑化供料裝置，將高分子基體材料加入另一臺(tái)熔融塑化供料裝置；匯流器將來自兩個(gè)塑化供料裝置的兩層熔體疊合成一層；復(fù)合熔體經(jīng)過K個(gè)層疊器后，每個(gè)層疊器有m個(gè)分隔與疊加流道，得到2×mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于制備有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料，材料來源廣泛、工藝簡單，而且無機(jī)納米材料在復(fù)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(dǎo)電性或具有氣密性的有機(jī)-無機(jī)雜化復(fù)合材料。
文檔編號(hào)B29C70/52GK102275313SQ201110192628
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者丁玉梅, 楊衛(wèi)民, 焦志偉, 王乾, 王德禧, 謝鵬程, 鐘雁 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)