[發明專利]一種氧化石墨納米片/碳化硼復合填料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202210540767.8
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN114989492B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 暴寧鐘;范鵬民;吳健;管圖祥;鄧聰;莊偉;沈麗明
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C08K9/10
• 分類號: C08K9/10;C08K9/02;C08K3/38;C08K9/00;C08K7/00;C08K3/04;C08L77/06;C08J3/21;C08J3/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 肖明芳

本發明涉及一種氧化石墨納米片/碳化硼復合填料的制備方法并將其進一步應用于制備尼龍復合材料。本發明利用氧化石墨納米片作為優良的界面改性劑，通過對碳化硼表面處理，經過剪切分散后，氧化石墨納米片與碳化硼自組裝得到氧化石墨納米片/碳化硼復合填料，改善剛性碳化硼納米填料與尼龍基體間的界面相互作用，采用溶液混合法與熔融共混法結合的方式，有效提高填料在尼龍基體中的分散性。本發明實現了氧化石墨納米片和碳化硼的協同作用，增強了尼龍的機械性能，并提高了熱穩定性。

技術領域

本發明屬于高分子復合材料領域，涉及一種氧化石墨納米片/碳化硼復合填料的制備方法及其對尼龍的增強。

背景技術

尼龍是一種應用廣泛的熱塑性工程塑料，具有強度高、耐腐蝕、輕質、自潤滑和易加工等良好的綜合性能，已經被廣泛應用到紡織、工程零件、汽車工業、電子電器等領域。然而，尼龍產品的耐熱性、導電性并不高，力學強度遠不及碳纖維、凱夫拉纖維，限制了尼龍在更廣泛領域的應用。

為了進一步提升尼龍的性能，可通過填充、共混和化學接枝等方法進行物理和化學改性。添加納米填料是增強尼龍綜合性能的一種有效手段，傳統添加方式以直接物理共混為主，存在兩大缺點：一方面直接物理混合時填料在材料基體中的分散性往往很差，團聚現象嚴重，并且填料與基體之間界面結合力比較薄弱，從而納米填料增強效果遠低于理論預測值；另一方面直接物理共混法通常需要較高的添加量，而納米填料通常價格比較昂貴，導致成本大幅提高。

碳化硼(B₄C)，別名黑鉆石，是已知最堅硬的三種材料之一，具有低密度、極高硬度和高彈性模量等出色的物理和機械性能，是一種理想的增強材料。但是，作為增強填料時，B₄C與基體間界面作用力弱，導致增強效果并不明顯。改善填料的分散和填料-基體界面作用的方法有多種，如使用小分子表面活性劑和接枝聚合物鏈等。這些方法在一定程度上提升了界面作用，但降低了納米增強填料本身的優越性能，并且在高溫加工時由于有機交聯分子的分解使得增強效果減弱。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，本發明涉及一種氧化石墨納米片/碳化硼(GrO/B₄C)復合填料的制備方法，并進一步將其應用于制備尼龍復合材料來增強尼龍的性能，在于充分利用尼龍優點的基礎上，提供一種有效、低成本的技術來改善納米復合材料界面問題，制備高性能尼龍復合材料。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種氧化石墨納米片/碳化硼復合填料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳化硼與酸混合進行酸處理，加熱、過濾、洗滌、干燥得到表面改性后的碳化硼粉末；

(2)將氧化石墨濾餅配制成氧化石墨懸浮液，加入步驟(1)得到的表面改性后的碳化硼粉末，用高速剪切分散機剪切混合，氧化石墨被剪切剝離成氧化石墨納米片，剝離生成的氧化石墨納米片與表面改性后碳化硼進行組裝，將剪切混合后的懸濁液靜置，除去底部的固體殘余物，將上層懸浮液干燥得到組裝好的氧化石墨納米片/碳化硼復合填料粉體。

其中，步驟(1)中的酸處理的酸為硝酸、硫酸、鹽酸中的任意一種或幾種的混合，優選65wt％硝酸。溶液pH值為0.5～3，加熱條件為60～120℃，處理時間4～12h。優選80～100℃處理8h。將酸處理后的溶液抽濾，用潤洗液洗滌濾餅，保證酸被完全洗去。潤洗液要求能快速帶走濾餅中的酸，一般選用去離子水或乙醇。

步驟(1)中，洗滌方式為用去離子水洗滌至pH值至6～7，干燥方式采用冷凍干燥、噴霧干燥、真空干燥中的任意一種。優選冷凍干燥，能保持B₄C填料形貌。

氧化石墨濾餅中氧化石墨的平均粒徑大于100μm，配制成濃度為5～40g/L的氧化石墨懸浮液，優選10g/L，該濃度下溶液粘度合適，更容易剪切分散，不易飛濺浪費，且此濃度下分散液具有液晶相，剪切分散后取向性更高；加入氨水調節pH值至中性，優選調至pH為8，氧化石墨在弱堿性下分散剝離效果更好。