[发明专利]高强度高韧性聚酰胺尼龙材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子复合材料技术领域，尤其是一种增强增韧的不同维度纳米粒子/聚酰胺尼龙(以下简称PA)高分子材料的制备方法。

背景技术

单体浇铸尼龙作为一种新型高性能工程塑料，以其高结晶度、高分子量、高机械强度、宽温度使用范围、高耐磨损、耐化学溶剂性能以及生产流程短、工艺简单、模具成本低、设备效率高、成型的尺寸大小不受限制等优点，正逐步替代铜、铝、钢铁等多种金属材料，作为输送管道、轴套、轴瓦、齿轮、滑轮、滑块、螺旋桨等制件在纺织、橡胶、石化、轧钢、矿山机械、建筑建材、航空、电力、桥梁等领域获得广泛应用。但与金属材料相比，其强度和刚性还有一定差距，随着器件需求以及工业制造标准的不断高强度的尼龙将在机械制造等领域获得更广泛的市场应用前景。然而，当前国内多数尼龙制件的综合力学性能尚不能满足高负荷等苛刻应用环境的要求；传统的材料改性通常会在增加材料韧性或者刚性的同时，牺牲材料的另一方面的性能，因此，开发同时具有较高韧性和较高刚性的高性能化尼龙材料已成为当前满足市场最强烈的研发需求。

碳纳米管(以下简称CNT)由于其超大的长径比(大于103)和优异的物理机械性能，在增强增韧纳米粒子/尼龙复合材料领域受到广泛的关注 (Meincke, et al. Polymer 2004, 45: 739-748.)。然而由于其大的长径比，导致CNT在高分子基体中难以均匀分散。为了避免CNT的团聚，本发明拟将CNT加入液态的己内酰胺单体中，通过超声分散来实现CNT粒子的均匀分散。此外，通过对CNT表面羧基化处理，进一步提高CNT与己内酰胺分子链的相容性。近来，一些学者报道不同维度纳米粒子对高分子复合材料的增强增韧具有协同效应 (Sandler, et al. Polymer 2004, 45: 2001-2005.)。Ma等人发现在相同填料含量下，石墨片/碳纳米管杂化填料相对于单一填料对环氧树脂基体增强增韧具有显著提高可达到25% (Yang, et al. Carbon 2011, 3: 793-803.)。本发明拟利用一维的CNT和零维的碳酸钙纳米粒子来协同增强增韧尼龙高分子复合材料。

目前有关增强增韧尼龙高分子复合材料的专利并不多，而利用不同维度纳米粒子增强增韧尼龙高分子复合材料更是未见报道。也没有查阅到通过原位开环聚合制备不同纳米粒子增强增韧尼龙复合材料的专利文献。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种高强度高韧性聚酰胺尼龙材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度高韧性聚酰胺尼龙材料的制备方法，复合材料主要原料按重量百分比计由以下重量比组分构成：

       聚酰胺尼龙 PA               80~98%

       功能化碳纳米管 f-CNT        0.2~2%

       纳米碳酸钙CaCO₃            1.8~18%

其制备方法按如下的步骤：

（1）原料干燥：将半径5~40 nm，长度1~10 μm的f-CNT和半径20~60 nm的纳米碳酸钙粒子在烘箱中干燥，直到水分重量含量低于0.01%；

（2）f-CNT/CaCO₃/PA预聚合：将步骤（1）中干燥后的f-CNT和CaCO₃按质量比1:10~1:2加入已内酰胺单体中，加热到110~140℃时超声搅拌f-CNT和CaCO₃悬浮液直到均匀分散；再升高温度并抽真空除去水分；然后升高到130~160℃下加入1.4g氢氧化钠作为催化剂；最后，在130~160C下加入4.9g 2,4-甲苯二异氰酸酯活化剂；

（3）浇注聚合成型：将步骤（2）制备的f-CNT/CaCO₃/PA预聚体在140~180C下浇注入模腔中；然后升高温度到135~165℃进行聚合，时间不低于1分钟， 最后，脱模得到目标产品。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所用原料中的f-CNT的制备方法如下：

（1）干燥原料：将半径5~40 nm，长度1~10 μm的碳纳米管CNT在烘箱中干燥，直到水分重量含量低于0.01%，得到 f-CNT；