[发明专利]碳纳米管-氧化铝复合结构增强聚氨酯基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管-氧化铝复合结构增强聚氨酯基复合材料的制备技术。

背景技术

聚氨酯(PU)是一类以多异氰酸酯与多元醇反应制得的具有独特加工性能的高聚物，其性能优良，广泛应用于机电、船舶、航空、车辆、土木建筑、轻工、纺织等部门。但聚氨酯材料的强度不高，耐热、耐水、抗静电等性能差，因而限制了其进一步的应用。

碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)在国际上已被公认是一种性能优异的结构材料，其强度和韧性高，延伸率和弹性模量大，耐磨性优良。由于CNTs是一种新型的自组装单分子材料，具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，理论估算其杨氏模量高达5TPa，与金刚石的相同，强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6，可能是目前比强度和比刚度最高的材料。更重要的一点是，它的分子结构与聚合物链结构相似，长径比高达100～1000，具有极好的柔韧性，与聚合物具有良好的相容性，利用CNTs制备聚合物纳米复合材料已成为材料研究领域热点方向之一。因此，将CNTs与PU进行复合，可获得性能优异的纳米复合材料。

然而，CNTs在聚合物复合材料中的分散、结构保持及其与基体之间的浸润紧密结合问题是发展该类复合材料面临的难题。目前关于CNTs增强聚合物基复合材料的研究中，科研工作者通常首先采用浓硝酸、浓硫酸等强酸对所得CNTs进行纯化，然后利用超声、高能球磨、功能化等处理方法来解决CNTs的团聚，最后通过熔融共混、原位聚合、溶胶凝胶方法把CNTs添加到PU基体中。上述方法具体步骤如下，(1)熔融共混法：首先利用流体剪切力破坏CNTs的团聚或阻止团聚的形成，使CNTs分散于聚合物熔体中，然后对其进行压制制备复合材料；(2)溶液共混法：首先将CNTs分散于适当的溶剂中，然后在一定温度下将CNTs与聚合物进行共混，最后通过蒸发、沉淀或浇铸成膜的方法制得CNTs/聚合物复合材料；(3)原位聚合法：CNTs首先被加入到低分子量及低黏度的溶液中，然后通过机械混合，使CNTs均匀分散于溶液中，最后利用引发剂打开CNTs的Л键或其表面的官能团使其参与聚合得到CNTs/聚合物复合材料。第一种方法简单，但不能解决CNTs在聚合物基复合材料中的分散及其与基体之间的界面浸润问题；第二种方法虽然一定程度上能改善CNTs在聚合物基复合材料中的分散，但在溶液共混中残余溶剂不易清除，残留在体系中的溶剂会使复合材料的玻璃化转变温度降低和机械性能受损；第三种方法虽然得到的CNTs在基体中分散较好，但价格昂贵，技术复杂，很难大规模应用。此外，由于制备复合材料时上述方法通常采用强酸、超声、高能球磨等苛刻方法对CNTs进行预处理，容易造成CNTs完美结构的破坏，使其优异的力学与物理性能被大幅削弱，从而对复合材料的力学等性能的提高不显著。

本发明首先采用化学气相沉积法合成CNTs分散均匀且含量可控的CNTs-Al₂O₃复合结构，然后利用熔融共混的方法将复合结构掺入聚氨酯基体中，制备出力学、导电、电热性能优良的聚氨酯基复合材料。

发明内容

本发明旨在提供一种使CNTs-Al₂O₃复合结构在聚合物基复合材料中含量可控且弥散均匀分布的方法，同时碳管、氧化铝与基体界面浸润性好，结合强度高。

本发明中碳纳米管-氧化铝复合结构的制备方法是通过下述步骤加以实现的：

Ni-Al₂O₃催化剂的制备：以六水硝酸镍(市售产品，纯度＞96％)和铝粉(市售产品，400目)为原料，将这两种原料以一定的比分(重量比范围为0.05∶1～4.95∶1)加入到1L蒸馏水中，然后以氢氧化钠作沉淀剂，边用磁力搅拌器搅拌(搅拌速度为50转/分钟～500转/分钟)边滴加一定量的氢氧化钠(氢氧化钠摩尔数为六水硝酸镍的两倍)反应生成Ni(OH)₂-Al，即采用共沉淀法制得了Ni(OH)₂-Al(Ni元素与Al元素重量比范围：1∶5294～1∶0.53)二元胶体，然后将二元胶体在空气中脱水(350℃～500℃)后得到NiO-Al₂O₃(Ni元素与Al元素重量比范围：1∶5294～1∶0.53)催化剂前驱，炉子升温速度均为8℃/min，并将所得催化剂前驱用于CNTs-Al₂O₃复合结构的制备。