[发明专利]埃洛石纳米管的改性处理及与水性聚氨酯复合制备复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的制备方法，特别是涉及用硅烷偶联剂KH550对埃洛石纳米管进行表面处理及与水性聚氨酯复合制备复合材料的方法；通过使用硅烷偶联剂KH550改性处理的埃洛石纳米管(halloysite nanotubes，HNTs)与水性聚氨酯(waterborne polyurethane，WPU)复合，进而提高水性聚氨酯材料的力学性能和热性能。

背景技术

随着经济的发展与人类生活质量的日益提高，人们对商品的要求不仅在于优良的性能，对环保的要求也越来越严格。水性聚氨酯具有不燃、无毒、环保、节约能源等特点，而且采用水替代有机溶剂，降低了生产及贮存成本。近年来水性聚氨酯的应用领域也包含皮革涂饰、造纸工业、粘合剂、水性涂料、汽车涂料以及建筑行业等。虽然水性聚氨酯具有良好的环境友好性、低成本等很多优点，但因为水性聚氨酯的链段上引入了比较多的亲水性集团，使得水性聚氨酯的力学性能、热稳定性、耐水性、耐溶剂性等方面的性能比较差，限制了其应用的范围，因此需要对水性聚氨酯进行改性。目前水性聚氨酯的改性方法以及工艺也有很多不足，尤其是水性聚氨酯树脂的力学性能、热稳定性等都存在很多改进的空间。

埃洛石纳米管(HNTs)是一种价格低廉的天然纳米管，是双层1∶1型铝硅酸盐，其分子式为Al₂Si₂O₅(OH)₄·nH₂O(n＝0或2)，具有典型结晶结构，常为多壁管状结构，由内层的铝氧八面体和外层的硅氧四面体晶格错位卷曲而成。其层间存在结晶水。经分析，埃洛石纳米管含有两类羟基：位于外表面的硅羟基和位于层间的较多的铝羟基。由于埃洛石纳米管具有独特的纳米结构及管状特性，因此可以与聚合物进行复合，制备优良性能的聚合物/无机纳米复合材料。在聚合物复合材料中埃洛石纳米管能够达到某种程度的均匀分散，但是分散状况仍然不理想，往往在聚合物复合材料中埃洛石纳米管团聚体和单分散的埃洛石纳米管并存，有些团聚体尺寸还很大(几十微米)。因此需要对埃洛石纳米管进行表面处理改性，以改善其分散性能。本发明使用硅烷偶联剂KH550对埃洛石纳米管进行表面处理和改性，并将用KH550改性后的埃洛石纳米管与水性聚氨酯复合从而提高水性聚氨酯的力学性能和热学性能。目前还没有使用被KH550处理的埃洛石纳米管与水性聚氨酯复合以提高其性能的相关报道。

发明内容

本发明使用硅烷偶联剂KH550对埃洛石纳米管进行表面处理和改性，并将用KH550改性后的埃洛石纳米管与水性聚氨酯复合从而提高水性聚氨酯的性能。

本发明方法包括的步骤如下：

一种用硅烷偶联剂KH550对埃洛石纳米管进行表面处理的方法，步骤如下：

1)埃洛石纳米管粒子的提纯：

将埃洛石纳米管粒子与无水乙醇按照1∶20～1∶25质量比关系配制成悬浮液，搅拌50～60min后再进行超声分散30～40min，直至形成均匀的悬浮液；将制得的悬浮液进行过滤，取上层固体在烘箱中60～65℃烘干至质量无变化，再用200～250目筛筛分得到纯化的埃洛石纳米管粒子；

2)用KH550处理改性埃洛石纳米管：

取纯化后的埃洛石纳米管加入到乙醇和去离子水的混合溶液中，控制所加入的埃洛石纳米管与混合溶液的质量比为1∶20～1∶25，其中混合溶液中乙醇和水体积比为9∶1～10∶1，使用超声分散至形成均匀的悬浮液；向悬浮液中滴加硅烷偶联剂KH550，硅烷偶联剂KH550加入量相当于埃洛石纳米管粒子质量的20～25％，常温下搅拌11～13h后过滤，将得到的固体在110～120℃烘箱中反应2～2.5h，研磨成粉，并用200～250目筛筛分，即得到经KH550改性处理后的埃洛石纳米管粒子。

使用经硅烷偶联剂KH550改性处理后的埃洛石纳米管与水性聚氨酯复合制备复合材料的方法，步骤如下：

取固含量为35～38％的水性聚氨酯乳液，将处理后的埃洛石纳米管加入到水性聚氨酯乳液中，所加入的埃洛石纳米管粒子的质量为乳液固含量质量的1～5％，在高速剪切搅拌下进行混合，再将乳液倒入聚四氟乙烯模具中，室温下干燥成膜后在烘箱中60～65℃干燥至质量无变化；这样即制得了埃洛石纳米管与水性聚氨酯的复合材料。