CN101831157B - 聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料是由聚对二氧环己酮基体材料和无机纳米纤维共混构成,其中无机纳米纤维与聚对二氧环己酮的重量比为0.5~10∶100,且该复合材料杨氏模量为364-942MPa。本发明还公开了上述复合材料的制备方法。由于本发明提供的复合材料中含有的无机纳米纤维的长径比高,纤维之间聚集作用力微弱,且在复合材料中呈纳米尺寸分散,因而不仅大幅提高了材料的熔体强度、改善其加工性能,还显著提高了复合材料的强度,且制备方法成熟,简单易行,易于推广。
Description
技术领域
本发明属于聚合物与无机纳米填料所组成的复合材料及其制备技术领域,具体涉及一种聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
聚对二氧环己酮(PPDO)是一种具有优异的生物相容性、生物可吸收性和生物降解性的线性脂肪族聚醚酯。由于独特的醚键结构,PPDO具有比其他可生物降解聚酯更优异的韧性和亲水性,使其已成功应用于制造外科缝合线、骨板和组织修复材料,如螺钉、钩、片和钳等外科器具领域。此外,它在自然界中的生物降解性目前也得到了证实(Nishida,H.;Konno,M.;Ikeda,A.;Tokiwa,Y.Polym.Degrad.Stab.2000,68,205-217)。因此,在目前合成成本大幅降低的前提下,PPDO有望成为环境友好的通用塑料广泛应用于制造薄膜、板材、泡沫和无纺布等。但是由于PPDO结晶速度慢,熔体强度低,成型加工困难,因而限制了其应用范围。
将纳米粒子引入PPDO基体中制备纳米复合材料是提高PPDO性能的一种新方法。如王玉忠等(ZL200410081645.9)公开了一种PPDO/蒙脱土纳米复合材料及其制备方法。这种采用原位聚合或熔融共混方法制备的PPDO/层状粘土纳米复合材料虽然有效的提高了材料的结晶速度和材料的韧性,但是,由于蒙脱土层状粘土的片层与片层之间存在较强的离子键作用,因而在制备复合材料的过程中PPDO基体中的层状粘土片层很难完全剥离开来,容易形成大尺寸的团聚体,使之分散不均。正是由于层状粘土本身这种形貌的特点及其在基体材料中分散状况的原因,导致其对PPDO某些性能的提升达不到理想的效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种通过添加无机纳米纤维进行改性获得的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
本发明的另一目的是提供一种制备上述聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法。
本发明提供的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料是由聚对二氧环己酮基体材料和无机纳米纤维共混构成,其中无机纳米纤维与聚对二氧环己酮的重量比为0.5~10∶100,且该复合材料杨氏模量为364-942MPa。
上述聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料中无机纳米纤维与聚对二氧环己酮的重量比优选1~5∶100。
上述聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料中所含的无机纳米纤维为直径小于100纳米的海泡石、凹凸棒、纤维水镁石、埃洛石或纤蛇纹石中的任一种,且无机纳米纤维是未经预处理或经预处理的。
本发明提供的制备上述聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法是先将按重量比100∶0.5~10对二氧环己酮单体和无机纳米纤维,在氮气气氛保护下,先在50℃下搅拌混合溶胀0.5~2h,再超声分散0.5~2h,然后升温至60~100℃,加入以对二氧环己酮单体的摩尔计为0.0005~0.005的催化剂,反应2~48h即可,或直接将聚对二氧环己酮均聚物与无机纳米纤维,按重量比100∶0.5~10的比例,先在高速搅拌机中混合均匀,然后放入双螺杆挤出机中,于85~130℃熔融共混挤出即可。
上述方法中所用的对二氧环己酮单体和无机纳米纤维或聚对二氧环己酮均聚物和无机纳米纤维的重量比优选100∶1~5。
上述方法中所用的无机纳米纤维为直径小于100纳米的海泡石、凹凸棒、纤维水镁石、埃洛石或纤蛇纹石中的任一种,且无机纳米纤维是未经预处理或经预处理的。
将无机纳米纤维进行预处理均为公知技术(Duquesne E,Moins S,Alexandre M,Dubois P.Macromol Chem Phys 2007;208:2542-2550;Shen L,Lin YJ,Du QG,Zhong W,Yang YL.Polymer 2005;46:5758-5766;Pan YZ,Xu Y,An L,Lu HB,Yang YL,Chen W,Nutt S.Macromolecules 2008;41:9245-9258.),具体是以酸处理剂进行酸活化处理或以有机改性剂进行有机化处理或以表面处理剂进行有机化处理。其中所用的酸处理剂为无机酸,优选盐酸、硫酸或硝酸;有机改性剂为有机季铵盐、有机磷鎓盐或吡啶鎓盐,优选十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三苯基溴化磷或十六烷基溴化吡啶;表面处理剂为钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂或硬脂酸,硅烷偶联剂优选KH550、KH560或KH570,钛酸酯偶联剂优选NDZ102、NDZ109或NDZ201。
上述方法所用的催化剂为烷基铝、烷氧基化合物或辛酸亚锡中的任一种。其中烷基铝优选三甲基铝或三乙基铝,烷氧基化合物优选异丙醇铝或钛酸丁酯。
本发明具有以下优点:
1、由于本发明提供的复合材料中含有的无机纳米纤维具有比层状粘土片层更高的长径比,且纤维之间具有的聚集作用力较为微弱,因而在制备复合材料的过程中很容易实现无机纳米纤维在PPDO基体中的无规均匀分散,大大提高了复合材料的强度。
2、由于本发明提供的复合材料中含有的无机纳米纤维在复合材料中呈纳米尺寸分散,且与PPDO基体具有良好的界面相容性,因而不仅大幅提高了材料的熔体强度、改善其加工性能,还显著的发挥了作为纤维的增强作用,为获得高强度高模量PPDO/纳米纤维复合材料作出了卓越的贡献。
3、由于本发明引入的无机纳米纤维相对于对二氧环己酮来说价格大为低廉,因而使制备的复合材料的成本下降。
4、本发明提供的原位聚合或熔融共混制备方法成熟,且简单易行,易于推广。
5、本发明提供的可生物降解的PPDO/无机纳米纤维复合材料可广泛应用于制造薄膜、片材、板材和无纺布等,是一种具有实际应用价值环境友好型生物降解材料。
附图说明
图1聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的扫描电镜照片;
图2为聚对二氧环己酮均聚物与聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的热重曲线;
图3为聚对二氧环己酮均聚物与聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的稳态流变曲线。
具体实施方式
下面给出实施例对本发明进行进一步说明,有必要指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1
先将10g海泡石加入到400ml去离子水中,高速搅拌1小时,得到稳定的悬浮体,再将3g十六烷基三甲基溴化铵溶于100ml去离子水中,然后将后者缓慢滴加入悬浮体中,继续高速搅拌并升温至80℃,反应12小时后抽滤,并反复用去离子水洗涤,至用0.1mol/L的硝酸银溶液检测滤液中无溴离子为止;最后冷冻干燥至海泡石恒重,研磨过200目筛即可。
将对二氧环己酮单体100g和经处理的有机化海泡石3g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀1h,然后超声分散0.5h,使海泡石纳米纤维充分解束分散,然后升温至60℃,加入按单体摩尔计为0.001的三乙基铝,反应5h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维纳米复合材料。
实施例2
先将纤蛇纹石在100℃的真空烘箱中干燥48h,再将10g干燥好的纤蛇纹石和5克硅烷偶联剂KH550加入到500ml甲苯中,高速搅拌并升温至110℃回流12小时,然后过滤并用甲苯抽提48h,最后在70℃下真空干燥至纤蛇纹石恒重,并研磨过200目筛即可。
将对二氧环己酮单体100g和经处理的有机化纤蛇纹石0.5g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀2h,然后超声分散0.5h,使纤蛇纹石纳米纤维充分解束分散,然后升温至80℃,加入按单体摩尔计为0.0005的辛酸亚锡,反应48h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
实施例3
先将凹凸棒在100℃的真空烘箱中干燥48h,再将10g干燥好的凹凸棒和5g钛酸酯偶联剂NDZ102加入到500ml异丙醇中,高速搅拌并加热至80℃回流12h,然后过滤并用异丙醇抽提48h,最后在70℃下真空干燥至凹凸棒恒重,并研磨过200目筛即可。
将对二氧环己酮单体100g和经处理的有机化凹凸棒5g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀2h,然后超声分散1h,使得凹凸棒纳米纤维充分解束分散,然后升温至80℃,加入按单体摩尔计为0.00125的异丙醇铝,反应12h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
实施例4
先将埃洛石在100℃的真空烘箱中干燥48h,再将10g干燥好的埃洛石和5克硬脂酸加入到500ml甲苯中,高速搅拌并升温至110℃回流12h,然后过滤并用甲苯抽提48h,最后在70℃下真空干燥至埃洛石恒重,并研磨过200目筛即可。
将对二氧环己酮单体100g和经处理的有机化埃洛石7g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀2h,然后超声分散2h,使得埃洛石纳米纤维充分解束分散,然后升温至100℃,加入按单体摩尔计为0.001的辛酸亚锡,反应48h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
实施例5
先将10g凹凸棒入到500ml的去离子水中,高速搅拌1h,得到稳定的悬浮体,然后缓慢加入120ml浓盐酸,继续高速搅拌并升温至80℃,1h后抽滤,并反复用去离子水洗涤至中性,最后冷冻干燥至凹凸棒恒重,研磨过200筛即可。
将对二氧环己酮单体100g和经处理的凹凸棒2g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀2h,然后超声分散2h,使得凹凸棒纳米纤维充分解束分散,然后升温至70℃,加入按单体摩尔计为0.002的三乙基铝,反应2h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
实施例6
将对二氧环己酮单体100g和200目纤维水镁石1g,加入用氮气气氛保护的反应瓶中,先在50℃下搅拌混合溶胀2h,然后超声分散2h,使得纤维水镁石充分解束分散,然后升温至90℃,加入按单体摩尔计为0.005的辛酸亚锡,反应48h即获得聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料。
实施例7
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与15g用实施例1方法制备的有机化海泡石一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段90℃,混合段120℃,塑化段125℃,机头120℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
实施例8
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与10g用实施例2方法制备的有机化纤蛇纹石一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段85℃,混合段115℃,塑化段120℃,机头115℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
实施例9
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与3g用实施例3方法制备的有机化凹凸棒一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段90℃,混合段120℃,塑化段125℃,机头120℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
实施例10
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与0.5g用实施例4方法制备的有机化埃洛石一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段85℃,混合段115℃,塑化段120℃,机头115℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
实施例11
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与4g用实施例2方法制备的有机化纤蛇纹石一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段85℃,混合段120℃,塑化段130℃,机头125℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
实施例12
将100g特性粘数为2.6dL/g的PPDO均聚物与9g用实施例4方法制备的有机化埃洛石一起先在高速搅拌机中混合均匀,然后在双螺杆挤出机中按加料段90℃,混合段115℃,塑化段125℃,机头120℃,螺杆转速为9rpm的条件下熔融共混,挤出造粒,即获得PPDO/无机纳米纤维复合材料。
为了考察本发明制备的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的结构与性能,对所得的部分复合材料进行扫描电镜、热重、流变和机械性能测试。
将复合材料在液氮中脆断,然后进行断面喷金,用FEI/PHILIPS Inspect F扫描电子显微镜观察其断面形貌,所得照片见图1。图1中的a图为PPDO/5wt%海泡石纳米纤维复合的扫描电镜照片,b图为PPDO/5wt%凹凸棒纳米纤维复合材料的扫描电镜照片。由图可见,海泡石纳米纤维和凹凸棒纳米纤维在PPDO基体中均呈无规均匀分散,而且在它们与PPDO基体的相界面处没有发现明显的相分离行为,这说明分散在复合材料中的无机纳米纤维与基体具有良好的界面相容性。
按GB/T 1040.2-2006标准,用SANS CMT4104万能材料试验机,在拉伸速度为25mm/min下测定了各实施例所得复合材料的拉伸强度、断裂生长率和杨氏模量,结果见表1。从表1的测试结果中可看出,本发明提供的复合材料的拉伸强度和杨氏模量都较纯PPDO有明显增强,且断裂伸长率也得到了较好的保持。
将复合材料用Netzsch TG 209 F1热重分析仪,在升温速度为10℃/min,温度40~400℃下测试了其在氮气氛中的热稳定性,结果见图2。由图可见,复合材料的热稳定性较纯PPDO有了较大幅度的提高。
将直径为25mm的复合材料圆片用Bohlin Gemini 200高级流变仪(平板模式,上下平板直径为25mm,间距1mm),在稳态剪切速率扫描,剪切速率为10-3~101s-1,温度为130℃下进行流变性能测试,结果见图3。由图可见,1wt%海泡石纳米纤维的加入即可使复合材料的熔体粘度较纯PPDO得到了较大幅度的提高。
表1
Claims (10)
1.一种聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料是由聚对二氧环己酮基体材料和无机纳米纤维经原位聚合共混或熔融共混构成,无机纳米纤维为直径小于100纳米的海泡石、凹凸棒、纤维水镁石、埃洛石或纤蛇纹石中的任一种,其中无机纳米纤维与聚对二氧环己酮的重量比为0.5~10∶100,且该复合材料杨氏模量为364-942MPa。
2.根据权利要求1所述的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料中无机纳米纤维与聚对二氧环己酮的重量比为1~5∶100。
3.根据权利要求1或2所述的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料,该复合材料中所含的无机纳米纤维是未经预处理或经预处理的。
4.一种制备权利要求1-3中任一项所述的聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法是先将按重量比100∶0.5~10对二氧环己酮单体和无机纳米纤维,在氮气气氛保护下,先在50℃下搅拌混合溶胀0.5~2h,再超声分散0.5~2h,然后升温至60~100℃,加入以对二氧环己酮单体的摩尔计为0.0005~0.005的催化剂,反应2~48h即可,或直接将聚对二氧环己酮均聚物与无机纳米纤维,按重量比100∶0.5~10的比例,先在高速搅拌机中混合均匀,然后放入双螺杆挤出机中于85~130℃熔融共混挤出即可。
5.根据权利要求4所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的对二氧环己酮单体和无机纳米纤维或聚对二氧环己酮均聚物和无机纳米纤维的重量比为100∶1~5。
6.根据权利要求4或5所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的无机纳米纤维为直径小于100纳米的海泡石、凹凸棒、纤维水镁石、埃洛石或纤蛇纹石中的任一种,且无机纳米纤维是未经预处理或经预处理的。
7.根据权利要求4或5所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的催化剂为烷基铝、烷氧基化合物或辛酸亚锡中的任一种。
8.根据权利要求6所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的催化剂为烷基铝、烷氧基化合物或辛酸亚锡中的任一种。
9.根据权利要求7所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的烷基铝为三甲基铝或三乙基铝,烷氧基化合物为异丙醇铝或钛酸丁酯。
10.根据权利要求8所述的制备聚对二氧环己酮/无机纳米纤维复合材料的方法,该方法中所用的烷基铝为三甲基铝或三乙基铝,烷氧基化合物为异丙醇铝或钛酸丁酯。
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