CN103214730B - 聚合物基碳纳米管取向增强功能材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
聚合物基碳纳米管取向增强功能材料及其制备方法、装置，涉及一种碳纳米管复合材料的制备技术领域。将高分子材料与功能材料通过汇流器将来自不同塑化装置的多层熔体叠合成一层，复合熔体在离开汇流器进入层叠取向模具的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等份，每一等份在层叠取向模具中继续向前流动并旋转90°同时展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中高分子材料和功能材料由于双向拉伸作用得到取向，分支熔体在出口端相互汇流成为2×m层的出口熔体，获得由高分子材料与功能材料交替层叠而成的复合材料，具有优异的力学性能和导电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管复合材料的制备技术领域。
背景技术
碳纳米管（CNTs）自从1991年发现以来，以其特有的力学、电学和化学性能以及独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的许多潜在应用价值，迅速成为化学、物理及材料科学领域的研究热点，是21世纪最有前途的纳米材料之一。碳纳米管具有很高的长径比，一般大于1000，具有与金刚石相同的热导和力学性能，优良的强度、模量、延伸率、弯曲性和耐强酸强碱性，又具有纳米尺寸，因此可以作为“超级纤维”来增强复合材料。碳纳米管与聚合物的复合可以实现组元材料的优势互补或加强，最经济有效地利用碳纳米管的独特性能，聚合物基碳纳米管复合材料在信息材料、生物医用材料、隐身材料、催化剂、高性能结构材料、多功能材料等方面有着广阔的应用前景。
目前碳纳米管复合材料的主要制备方法有熔融共混法、溶液共混法和原位聚合法。熔融共混法是把碳纳米管与聚合物基体材料在大于基体材料熔点的温度下熔融并混合均与而得到聚合物基碳纳米管复合材料。溶液共混法是把碳纳米管分散到聚合物的良容易让中，再将聚合物溶入其中，而后加工成型并将溶剂清除，得到复合材料。原位聚合法是利用碳纳米管表面的官能团参与聚合或利用引发剂打开碳纳米管的π键，使其参与聚合反应而达到与有机相的良好相容。
由于碳纳米管径向的纳米级尺寸和高的表面能导致其在聚合物中容易团聚，分散性较差，不仅降低了碳纳米管的有效长径比，而且容易造成管与管之间的滑移，使得碳纳米管的增强效果变差。除了分散性外，碳纳米管在聚合物中的取向对复合材料的微观力学性能也有较大的影响。由以上制备方法得到的复合材料中碳纳米管都是均匀分散在聚合物基体中，这样虽然提高了材料的力学性能，获得了质量均匀的复合材料，但是由于碳纳米管间没有形成良好的导电网络，有些相邻的碳纳米管之间间距较大，相互间接触性较差，因而不能充分发挥碳纳米管的优良导电性及导热性能，造成了碳纳米管的极大浪费，增加了复合材料及制品的成本。此外，传统的聚合物基碳纳米管复合材料的制备方法无法实现对复合材料微观结构的人为调节和控制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳纳米管均匀分散、一致取向的增强功能型复合材料。
本发明由高分子材料与功能材料交替层叠而成。
所述高分子材料为聚丙烯。
所述功能材料为聚丙烯与碳纳米管的共混物。
本发明是将两种不同的高分子材料或其他材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的多层复合材料，其中碳纳米管以连续或不连续形式分布、取向于基体材料中，产生协同效应，从而把两种材料的性能充分地体现出来。由于高分子材料和碳纳米管在层叠流道中受到双向拉伸作用，高分子材料的长分子链得到拉伸，碳纳米管得到一致取向，获得的层叠复合材料具有优异的力学性能和导电性能，同时该高分子复合材料结构简单，选用的材料常见，工艺容易实现，可以实现工业化生产。
本发明另一目的是提出用于生产以上产品的装置：
该装置包括至少两个塑化供料装置、一个汇流器、一个层叠取向模具和一个成型装置，各个塑化供料装置分别连接在汇流器的两个进料口上，汇流器的出料口连接在层叠取向模具的入口端上，层叠取向模具的出口端与成型装置的进口端连接；层叠取向模具设有相互连接，且呈90°夹角的入口熔体通道和出口熔体通道，所述入口熔体通道和出口熔体通道的尺寸相同。
通过以上装置才能实现本发明的发明目的，获得聚合物基碳纳米管取向增强功能材料。
本发明的第三个目的是提出聚合物基碳纳米管取向增强功能材料的制备方法：
将高分子材料与功能材料通过汇流器将来自n个塑化装置的n层熔体叠合成一层，汇流器与层叠取向模具对接，复合熔体在离开汇流器进入层叠取向模具的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等份，每一等份在层叠取向模具中继续向前流动并旋转90°同时展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中高分子材料和功能材料由于双向拉伸作用得到取向，分支熔体在出口端相互汇流成为2×m层的出口熔体，层叠取向模具入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；其中，所述高分子材料为聚丙烯；所述功能材料为聚丙烯与碳纳米管的共混物；n和m分别为不小于2的整数。
在展宽和变薄再层叠的过程中，高分子材料和功能材料得到取向，因而获得的层状高分子复合材料具有优异的力学性能和导电性能。
本发明的有益效果是：选用的高分子基体材料来源广泛，成本低，且复合材料的制备过程极大的减小了碳纳米管的用量，降低了材料成本；经过取向的高分子材料和功能材料具有高导电性、优良力学性能。
另外，如串联k个同样的层叠取向模具，则可得到n×mk层的高分子复合材料，最后一个层叠取向模具的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型口模得到具有交替结构的多层高分子复合材料；其中，k为不小于1的整数。
附图说明
图1是本发明聚合物基碳纳米管取向增强功能材料截面形貌结构示意图。
图2是本发明的生产装置的结构示意图。
图3是本发明的层叠取向模具的流道示意图。
图4是本发明聚合物基碳纳米管取向增强功能材料层叠复合原理示意图。
具体实施方式
一、生产装置：
如图2、3所示，本发明生产装置主要由两个塑化供料装置1、汇流器2、层叠取向模具3和成型装置4组成。
层叠取向模具3入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同。
两个塑化供料装置1分别连接在汇流器2的两个进料口上，汇流器2的出料口连接在层叠取向模具3的入口端上，层叠取向模具3的出口端与成型装置4的进口端连接。
二、制备工艺：
先将聚丙烯（PP），也可以是其它常规的高分子材料，与碳纳米管共混，形成PP与碳纳米管的共混物，待用。
将PP（也可以是其它常规的高分子材料）装于一个塑化供料装置1中，将PP与碳纳米管的共混物装于另一个塑化供料装置1中。
开动设备，使来自两个塑化供料装置1的2层高分子熔体叠合成一片，经层叠取向模具3，使复合熔体进入层叠取向模具3的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠取向模具3中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，分支熔体在层叠取向模具3的出口端相互汇流成为2×m层的出口熔体。
如果串联k个同样的层叠取向模具，则可得到n×mk层的高分子复合材料，最后一个层叠取向模具3的熔体在出口不再分割，与成型口模连接后经过成型口模得到具有交替结构的多层高分子复合材料。
以上的n和m分别为不小于2的整数，k为不小于1的整数。
如图4所示，本发明聚合物基碳纳米管取向增强功能材料层叠复合原理，其中，4-1为入口熔体；4-2为分支熔体；4-3为出口熔体。
例如，如果采用四等分的层叠流道，串联5个同样的层叠取向模具，则可得到2×45层的高分子膜；如果高分子熔体从厚度为1mm的口模挤出，则高分子复合材料的平均膜层厚度可达到纳米级，满足高分子复合材料对膜层厚度的要求；高分子复合材料中每层膜的膜厚以及膜层之间的厚度比可根据需要通过调整螺杆转速来控制。
三、以本发明工艺生产的聚合物基碳纳米管取向增强功能材料截面形貌结构如图1所示：
由高分子材料与功能材料交替层叠而成。其中，1-1为高分子材料层，1-2为由高分子材料与碳纳米管的共混物形成的功能材料层。
Claims (2)
1.一种聚合物基碳纳米管取向增强功能材料的制备方法，将高分子材料与功能材料通过汇流器将来自n个塑化装置的n层熔体叠合成一层，其中，所述高分子材料为聚丙烯；所述功能材料为聚丙烯与碳纳米管的共混物；其特征在于：复合熔体在离开汇流器进入层叠取向模具的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等份，每一等份在层叠取向模具中继续向前流动并旋转90°同时展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中高分子材料和功能材料由于双向拉伸作用得到取向，分支熔体在出口端相互汇流成为2×m层的出口熔体，层叠取向模具入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；n和m分别为不小于2的整数。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：串联k个同样的层叠取向模具，则可得到n×mk层的高分子复合材料，最后一个层叠取向模具的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型口模得到具有交替结构的多层高分子复合材料；其中，k为不小于1的整数。
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