[发明专利]一种防止纳米粒子再团聚的新方法应用于制备纳米粒子/聚合物基复合材料

说明书

一、技术领域

本发明提供了一种用RESS技术，将纳米粒子瞬时直接喷入高分子基体的熔体并使纳米粒子被包裹来阻止再团聚的新方法，属于纳米粒子的技术领域，主要用于制备纳米粒子/聚合物基复合材料。 

二、技术背景

纳米粒子是尺寸为纳米级的超细材料，这样的粒子具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应等，因而表现出许多特有的性质，在光学、电子、离子、机械、膜、保护涂层、催化剂、传感器、生物等方面有着广泛的应用。然而，由于纳米粒子粒径小，表面能大，处于热力学非稳定态，易团聚，在基体材料中不易分散，导致其失去纳米粒子的特性；尤其当填充量较大时，纳米粒子的团聚现象更为严重，这些缺点极大的限制了它的应用。 

目前，解决这一难题的主要方法就是对纳米粒子进行表面修饰。如用有机物洗涤、加分散剂等对纳米粒子进行物理的包裹、吸附，进而达到阻止纳米粒子的再团聚。还有通过对纳米粒子的表面进行化学改性，使得纳米粒子表面产生极性官能团或接枝有机的分子链，防止纳米粒子的再团聚。而这些方法在洗涤剂的用量、成本消耗、分散剂的除去、纳米粒子的完整性、工业化生产、溶剂残留等方面存在有不同程度的缺陷。超临界快速膨胀技术可有效地改善纳米粒子的分散，但快速膨胀处理后的纳米粒子很容易再团聚。 

为了克服上述现有技术的不足，本发明采用快速膨胀超临界流体技术(RESS技术)，通过将含纳米粒子的超临界流体的悬浮液经微细喷管瞬间直接喷到高分子基体中，使得纳米粒子团聚体和聚集束结构在强烈的高频脉动剪切力的作用下被撕开。团聚体被破坏的纳米粒子均匀的分散到基体中到并被包裹，进而实 现了纳米粒子的均匀分散。含纳米粒子的超临界流体经喷嘴不断喷出时，纳米粒子处于极冷状态，温度很低。这时立即近距离将其随气流喷入到粘流温度以上的高分子熔体中，导致熔体温度陡降，高分子链被冻结，使被打散的纳米粒子在极短时间内夹在这些被冻结的高分子链中，从而阻止纳米粒子再团聚。该方法不需使用挥发性有机化合物、操作简单、不破坏纳米粒子的结构、且易于工业化，为纳米粒子的分散及制备纳米粒子/聚合物基复合材料开辟了新途径。 

三、发明内容

为了解决纳米粒子的再团聚问题，本发明提供了一种用RESS技术，将纳米粒子均匀分散到聚合物基体中并被包裹来阻止再团聚的处理方法。 

具体实验步骤为： 

A)称取0～500mg纳米粒子放入到1～500ml反应器里。 

B)连接好反应装置，检查气密性，用超临界组分的气体排除反应器中的空气，然后将温度调到0～600℃甚至更高的温度。 

C)将超临界流体系统的通入到反应器里，加压到0～30MPa甚至更高，混合0～300min甚至更长。 

D)将混合好的超临界系统经过微细喷嘴快速喷入熔融状态聚合物。 

E)冷却后，取出样品。 

在上述的试验方法中，纳米粒子可以是炭黑，活性炭，碳纤维，碳纳米管，石墨烯，氧化铝，二氧化钛、二氧化硅、蒙脱土等任何纳米粒子或混合纳米粒子。 

在上述的试验方法中，超临界流体的系统组分为氮气、二氧化碳、甲烷、乙烷或其它常温下为气体的化合物的一种或多种。 

在上述的试验方法中，微细喷嘴的内径为1～500μm。 

通过RESS处理的纳米粒子分散于聚合物基体和RESS处理的纳米粒子没有 分散于聚合物基体的扫描电子显微镜照片对比，我们发现分到聚合物基体的纳米粒子没有发生再团聚，而且分散的很均匀。 

本发明具有操作简单、不需使用挥发性有机化合物、不破坏纳米粒子的结构、且易于工业化的优点。本发明通过将含纳米粒子的超临界流体的悬浮液经微细喷管直接喷到高分子基体中，使得纳米粒子团聚体和聚集束结构在强烈的高频脉动剪切力的作用下被撕开。团聚体被破坏的纳米粒子均匀的分散到基体中到并被包裹，进而实现了纳米粒子的均匀分散。含纳米粒子的超临界流体经喷嘴不断喷出时，纳米粒子处于极冷状态，温度很低。这时立即近距离将其随气流喷入到粘流温度以上的高分子熔体中，导致熔体温度陡降，高分子链被冻结，使被打散的纳米粒子在极短时间内夹在这些被冻结的高分子链中，从而阻止纳米粒子再团聚。这种处理方法为解决纳米粒子的再团聚问题及制备纳米粒子/聚合物基复合材料开辟了新途径。 

四、附图说明

图1是RESS处理多壁碳纳米管分散于熔融PMMA中的扫描电子显微镜照片。 

图2是RESS处理多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片。