一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法

1.本发明涉及纳米填料技术领域，具体为一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法。

背景技术：

2.随着聚合物复合材料的不断发展，填料的形貌尺寸作为其中重要结构参数也扮演者非常重要的角。其中二维纳米材料具有各向异性，其垂直面内和平行面方向有不同的物理与化学性质。因此二维纳米材料面内尺寸和厚度将直接影响聚合物基复合材料的力学，耐热，导电，导热，阻隔，电磁屏蔽等性能和功能。其中制备较低厚度的二维纳米材料是复合材料高性能化和多功能化改性的主要方向。对已有二维填料的剥离能显著降低其厚度，发挥二维填料在复合材料中的特性。典型的如石墨剥离成石墨纳米片或者石墨烯，剥离的石墨剥让复合材料中具有更优异的特性。
3.现有的剥离方法需使用大量溶剂且步骤烦琐，且对不同二维填料的要求各不相同，例如具体分散溶剂、具体分散设备方法及后处理条件等；且现有的方法产量低，成本高，对条件要求苛刻；有的方法则是能耗高，周期长，并且对二维填料横向尺寸的破坏大等。另外在和聚合物复配时也具有天然的不足，就是需要再次分散在聚合物基体中，其剥离的尺寸并不代表最终在复合材料中的尺寸(直接受分散效果的影响)。这限制了二维填料在聚合物复合材料中发挥其尺寸效应。所以发明一种简单高效，绿环保，无溶剂的剥离二维填料的方法对复合材料的发展至关重要。

技术实现要素：

4.本发明意在提供一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，以解决现有的剥离方法需使用大量溶剂且步骤烦琐，且对不同二维纳米填料的要求各不相同，且现有的方法产量低，成本高，对条件要求苛刻或者是能耗高，周期长，并且对二维填料横向尺寸的破坏大的问题。
5.为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，包括如下步骤：
6.步骤一，通过设备对聚合物升温，使聚合物处于高弹态；
7.步骤二，通过加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，高弹态聚合物发生强迫流动，强迫流动的聚合物分子链发生不可逆的分子运动，以产生强剪切应力；
8.步骤三，直接向流动的高弹态聚合物中混入未剥离的二维填料粉末，使流动的高弹态聚合物基体中的强剪切应力能作用到二维填料上；
9.步骤四，将混合后的样品经一定时间的强迫流动加工后，使所有二维填料受到充分饱和的强剪切应力的剪切和剥离，最终获得分散的原位剥离成功的二维纳米材料。
10.基础方案的原理：本方法利用高弹态聚合物具有的极高的粘度，在其受到外力发生流动时将产生极大的应力，能够有效地使分散其中的二维填料发生破坏变形，让二维填
料从薄弱的层间开始破坏。高弹态下的聚合物具有特殊的分子链运动行为，无外力作用使其流动时，分子链不会有自由的热运动。这就导致了高弹态下聚合物的每次受强迫流动都能有效地施加作用力到二维填料上，并且分子链会自动填充到剥离的位置，而不会由于分子热运动让受外力剥离的二维填料重新结合在一起。这些高弹态聚合物的特性使二维填料能不断的剥离，最终得到二维纳米材料。
11.基础方案的优点：解决了现有的剥离方法需使用大量溶剂且步骤烦琐，且对不同二维纳米填料的要求各不相同，且现有的方法产量低，成本高，对条件要求苛刻或者是能耗高，周期长，并且对二维填料横向尺寸的破坏大的问题。
12.进一步，步骤一具体过程为：通过设备将聚合物升温至玻璃化温度与黏流温度之间，使聚合物成为玻璃化转变温度和黏流温度之间的非晶聚合物，以让聚合物的链段处于可运动状态而分子链无热运动。
13.基础方案的原理：通过设备将聚合物升温至玻璃化温度与黏流温度之间，使聚合物处于高弹态。
14.进一步，所述步骤二的具体过程为：通过熔体加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，使高弹态聚合物发生强迫流动，通过机械设备来让流动的高弹态聚合物产生强剪切应力。
15.进一步，所述步骤四具体过程为：将步骤一、步骤二、步骤三过程中共混物单次及多次打包开炼后得到在高弹态聚合物介质中单分散的二维纳米填料母粒。
16.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
17.(1)不需要使用大量溶剂且步骤简单，且能适用不同的二维纳米填料，例如等；且本方法产量高，成本低，对条件要求不苛刻；且对二维纳米填料横向尺寸的破坏小。
18.(2)高弹态聚合物具有极高的粘度，当其受到外力发生流动时将产生极大的应力，能够有效地使分散其中的二维纳米填料发生破坏变形，让二维填料从薄弱的层间开始破坏。高弹态下的聚合物具有特殊的分子链运动行为，无外力作用使其流动时，分子链不会有自由的热运动。这就导致了高弹态下聚合物的每次受强迫流动都能有效地施加作用力到二维纳米填料上，并且分子链会自动填充到剥离的位置，而不会由于分子热运动让受外力剥离的二维纳米填料重新结合在一起。这些高弹态聚合物的特性使二维纳米填料能不断的剥离。
19.(3)绿环保，不使用和产生有毒有害产物；高效节能，能够在短时间大规模剥离二维填料；原位剥离，剥离好的二维填料料单分散在聚合物基体中，能直接或作为母粒使用；适用性广，对各中具有高弹态的聚合物有效，对各种二维填料都有一定的剥离效果。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.图1是本发明实施例提供的利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法流程图；
22.图2是本发明的实验一中使用的石墨粉末的扫描电子显微镜sem图；
23.图3是本发明的实验一中剥离后石墨的原位分散的扫描电子显微镜sem图；
24.图4是本发明的实验二中使用的氮化硼粉末的扫描电子显微镜sem图；
25.图5是本发明的实验二中剥离后氮化硼剥离后的和原位分散的扫描电子显微镜sem图；
26.图6是本发明的实验三中石墨在高含量下剥离和分散的扫描电子显微镜sem图。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
29.实施例基本如附图1和附图2所示：一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，包括如下步骤：
30.步骤一，通过设备对聚合物升温，使聚合物处于高弹态；
31.步骤二，通过加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，高弹态聚合物发生强迫流动，强迫流动的聚合物分子链发生不可逆的分子运动，以产生强剪切应力；
32.步骤三，直接向流动的高弹态聚合物中混入未剥离的二维填料粉末，使流动的高弹态聚合物基体中的强剪切应力能作用到二维填料上；
33.步骤四，将混合后的样品经一定时间的强迫流动加工后，使所有二维填料受到充分饱和的强剪切应力的剪切和剥离，最终获得分散的原位剥离成功的二维纳米材料。
34.具体实施过程如下：本方法利用高弹态聚合物具有的极高的粘度，在其受到外力发生流动时将产生极大的应力，能够有效地使分散其中的二维填料发生破坏变形，让二维填料从薄弱的层间开始破坏。高弹态下的聚合物具有特殊的分子链运动行为，无外力作用使其流动时，分子链不会有自由的热运动。这就导致了高弹态下聚合物的每次受强迫流动都能有效地施加作用力到二维填料上，并且分子链会自动填充到剥离的位置，而不会由于分子热运动让受外力剥离的二维填料重新结合在一起。这些高弹态聚合物的特性使二维填料能不断的剥离，最终得到二维纳米材料。
35.步骤一具体过程为：通过设备将聚合物升温至玻璃化温度与黏流温度之间，使聚合物成为玻璃化转变温度和黏流温度之间的非晶聚合物，以让聚合物的链段处于可运动状态而分子链无热运动。
36.具体实施过程如下：通过设备将聚合物升温至玻璃化温度与黏流温度之间，使聚合物处于高弹态。
37.步骤二的具体过程为：通过熔体加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，使高弹态聚合物发生强迫流动，通过机械设备来让流动的高弹态聚合物产生强剪切应力。
38.步骤四具体过程为：将步骤一、步骤二、步骤三过程中共混物单次及多次打包开炼后得到在高弹态聚合物介质中单分散的二维纳米填料母粒。
39.为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的实验和对比实验。
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建
议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
41.实验一：
42.一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，通过如下方案实现：
43.(1)称取聚乳酸4060d 59.5g(natureworks公司)，石墨6.5g，将聚乳酸和石墨置于真空烘箱50℃干燥5小时。
44.(2)使用双辊开炼设备，温度90℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，前后辊距0.15mm。
45.(3)将干燥好的聚乳酸喂料入双辊开炼设备，当聚乳酸在辊间流动时加入干燥好的石墨。
46.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
47.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
48.如附图2和附图3所示，说明石墨实现了原位剥离和原位分散。
49.实验二：
50.(1)称取聚乳酸4060d 52g(natureworks公司)，氮化硼13g，将聚乳酸和氮化硼置于真空烘箱50℃干燥5小时。
51.(2)使用双辊开炼设备，温度90℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，前后辊距0.15mm。
52.(3)将干燥好的聚乳酸喂料入双辊开炼设备，当聚乳酸在辊间流动时加入干燥好的氮化硼。
53.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
54.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
55.如附图4和附图5所示，实验二与实验一的不同在于所使用的二维填料从石墨改变为六方氮化硼，其仍然能实现剥离和原位分散。
56.实验三：
57.(1)称取聚乳酸4060d 40g(natureworks公司)，石墨40g，将聚乳酸和石墨置于真空烘箱50℃干燥5小时。
58.(2)使用双辊开炼设备，温度90℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，辊距0.15mm。
59.(3)将干燥好的聚乳酸喂料入双辊开炼设备，当聚乳酸在辊间流动时加入干燥好的石墨。
60.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
61.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
62.如附图6所示，实验三与实验一不同则是石墨的含量从10wt％增长到了50wt％，如图6所示，高含量下石墨也被剥离并原位散在了聚合物基体中。
63.实验四：
64.(1)称取聚碳酸脂pc 65g，石墨43g，将聚碳酸脂和石墨置于真空烘箱120℃干燥5小时。
65.(2)使用双辊开炼设备，温度170℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，前后辊距0.15mm。
66.(3)将干燥好的聚碳酸脂喂料入双辊开炼设备，当聚碳酸脂在辊间流动时加入干燥好的石墨。
67.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
68.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
69.实验五：
70.(1)称取聚甲基丙烯酸甲酯pmma 65g(natureworks公司)，石墨43g，将聚甲基丙烯酸甲酯和碳纳米管置于真空烘箱120℃干燥5小时。
71.(2)使用双辊开炼设备，温度150℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，前后辊距0.15mm。
72.(3)将干燥好的聚甲基丙烯酸甲酯喂料入双辊开炼设备，当聚甲基丙烯酸甲酯在辊间流动时加入干燥好的石墨。
73.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
74.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
75.实验六：
76.(1)称取聚乳酸4060d 40g(natureworks公司)，蒙拓土40g，将聚乳酸和蒙拓土置于真空烘箱50℃干燥5小时。
77.(2)使用双辊开炼设备，温度90℃，前辊转速10rpm，后辊转速8rpm，辊距0.15mm。
78.(3)将干燥好的聚乳酸喂料入双辊开炼设备，当聚乳酸在辊间流动时加入干燥好的蒙拓土
79.(4)取出包辊样片打三角包后重新喂料进入开炼机，重复7-8次。
80.(5)最后一次取出片状样品，并将片状样品冷却至室温。
81.本发明在研发或者使用过程中取得的一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合实验过程的数据、图表等进行描述。
82.实验四、实验五则是采用更高玻璃化转变材料作为分散基体，同样来实现石墨的剥离和原位分散。
83.实验六是本发明在其他二维填料分散上的贡献。
84.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：

1.一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，通过设备对聚合物升温，使聚合物处于高弹态；步骤二，通过加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，高弹态聚合物发生强迫流动，强迫流动的聚合物分子链发生不可逆的分子运动，以产生强剪切应力；步骤三，直接向流动的高弹态聚合物中混入未剥离的二维填料粉末，使流动的高弹态聚合物基体中的强剪切应力能作用到二维填料上；步骤四，将混合后的样品经一定时间的强迫流动加工后，使所有二维填料受到充分饱和的强剪切应力的剪切和剥离，最终获得分散的原位剥离成功的二维纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，其特征在于：步骤一具体过程为：通过设备将聚合物升温至玻璃化温度与黏流温度之间，使聚合物处于高弹态，以让聚合物的链段处于可运动状态而分子链无热运动。3.根据权利要求1所述的一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，其特征在于：所述步骤二的具体过程为：通过熔体加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，使高弹态聚合物发生强迫流动，通过机械设备来让流动的高弹态聚合物产生强剪切应力。4.根据权利要求1所述的一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，其特征在于：所述步骤四具体过程为：将步骤一、步骤二、步骤三过程中共混物单次及多次打包开炼后得到在高弹态聚合物介质中原位剥离和均匀分散的二维纳米填料母粒。

技术总结

本发明涉及纳米填料技术领域，公开了一种利用高弹态聚合物实现二维填料原位剥离的方法，包括如下步骤：步骤一，通过设备对聚合物升温，使聚合物处于高弹态；步骤二，通过加工设备对处于高弹态的聚合物提供强应力，高弹态聚合物发生强迫流动，强迫流动的聚合物分子链发生不可逆的分子运动，以产生强剪切应力；步骤三，直接向流动的高弹态聚合物中混入未剥离的二维填料粉末，使流动的高弹态聚合物基体中的强剪切应力能作用到二维填料上；步骤四，将混合后的样品经一定时间的强迫流动加工后，使所有二维填料受到充分饱和的强剪切应力的剪切和剥离，最终获得分散的原位剥离成功的二维纳米材料。本方法简单高效绿环保，以无溶剂的方法剥离二维填料。法剥离二维填料。法剥离二维填料。