[發明專利]一種高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料制備方法

在審

• 申請號: 201810813125.4
• 申請日: 2018-07-23
• 公開（公告）號: CN109251518A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 潘凱;張文政
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C08L77/02
• 分類號: C08L77/02;C08K7/06;C08K3/04;C08J3/22;C08G69/14;C08G69/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料制備方法，屬于高分子復合材料領域。采用原位共聚法，在己內酰胺中添加較高含量的氧化石墨烯，然后進行己內酰胺的開環聚合，通過和表面官能團之間的接枝反應，將尼龍接枝到氧化石墨烯上，并且氧化石墨烯被還原為石墨烯，從而制備出石墨烯尼龍6母粒。然后采用熔融共混擠出的方法，將該母粒按一定的比例與碳纖維和純尼龍6進行共混，從而制備出高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料。本發明所涉及到的碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料具有極佳的力學性能，并且本發明的生產工藝僅需對現在工藝進行簡單改進，適合工業生產。

技術領域

本發明屬于高分子復合材料領域，涉及一種石墨烯尼龍6母粒及高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料制備方法，所合成的高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料具有力學性能優異的特點。

背景技術

尼龍6是工程塑料中開發最早的品種，是目前聚酰胺塑料中產量最大的品種之一。與其它工程塑料相比，PA6具有力學強度高、電氣性能良好、耐磨、抗震吸音、耐油、耐弱酸、弱堿及弱極性有機溶劑、加工流動性好等優良的綜合性能。但是PA6也存在著耐強酸強堿性差、濕態和低溫沖擊強度低、吸水率大、熔體流動性大、注射成型時易流延，造成加工成型工藝復雜而且影響了其制品尺寸的穩定性，且易燃燒等缺陷，大大限制了它的應用范圍。

20世紀50年代初，出現了纖維增強聚合物基復合材料。纖維增強高分子復合材料是以有機聚合物為基體，纖維作為增強體組合而成的復合性能優異的材料。其中，碳纖維增強尼龍復合材料是較為常用的纖維增強改性尼龍手段。

納米改性材料是納米材料發展應用的一個重要方面，形成的納米改性材料既具有高分子材料的韌性和易加工性，又具有納米材料的剛性和特殊性能。石墨烯是繼碳納米管后，碳材料家族又一納米級的功能性材料，目前已成為材料學、物理學、化學領域的國際熱點課題。石墨烯具有機械強度高，穩定性好，原料來源豐富等優點，這為石墨烯尼龍納米復合材料的研究提供了可能性。

以石墨烯這種納米材料改性尼龍，突破了改性尼龍所局限的傳統材料。改性方式也不再使用傳統的物理共混，而改成與己內酰胺原位聚合，很好的解決了物理共混所伴有的分散不好的問題，氧化石墨烯表面的官能團與尼龍酰胺鍵的強極性作用，使得兩者界面結合大大增強，接枝的尼龍分子鏈也使兩者的相容性得到改善。石墨烯上大量的羧基官能團雖然有利于尼龍的接枝，但是由于羧基是尼龍的封端劑，在聚合過程中會限制尼龍鏈的增長，導致最后隨著氧化石墨烯含量的增加，尼龍的分子量會逐漸減低，這樣最后反而會影響尼龍的性能。現有技術中一般采用石墨烯與尼龍單體先原位反應制備石墨烯尼龍母粒，然后再與尼龍復合可以克服上述問題，但現有技術中還是不能進一步提高石墨烯尼龍母粒材料中尼龍的分子量問題。如專利201610475005.9中，邱等人所述的高導熱石墨烯/尼龍復合材料中，使用兩段升溫、保持高壓力反應原位聚合所得到的復合材料，會存在分子量較低的問題。

本發明制備了石墨烯尼龍6復合母料，在隨后的共混加工過程中，增加了與尼龍基體的相容性，使石墨烯在尼龍基體里的均勻分散。同時，共混過程中加入碳纖維從而制備出高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯尼龍6母粒及高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料制備方法，采用原位共聚法，在己內酰胺中添加較高含量的氧化石墨烯，然后進行特定的己內酰胺的開環聚合和通過和表面官能團之間的接枝反應，將尼龍接枝到氧化石墨烯上，并且氧化石墨烯在聚合過程中被還原為石墨烯，從而制備出尼龍分子量分布更窄、分子量更高的石墨烯尼龍6母粒。然后采用熔融共混擠出的方法，將該母粒按一定的比例與碳纖維和純尼龍6進行共混，從而制備出性能優異碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料。

為解決上述問題，本發明采取的方案如下：

一種高性能碳纖維/石墨烯尼龍6復合材料制備方法，其特征在于，包括步驟如下：

(1)將表面含羧基的氧化石墨烯水溶液與己內酰胺混合，超聲振蕩，得到均勻混合液；