[发明专利]一种固相剪切制备聚合物接枝碳纳米材料的方法

说明书

本发明公开了一种固相剪切制备聚合物接枝碳纳米材料的方法，包括1)将碳纳米材料与助分散剂混合均匀，使得碳纳米材料表面均包覆有助分散剂；将步骤1)得到的包裹有助分散剂的碳纳米材料与聚合物均匀混合，得到混合物；将步骤2)得到的混合物加入到两片圆盘形的剪切盘中间，直至全部混合物通过；4)重复步骤3)的过程；5)将步骤4)制得的产物收集，即得到聚合物接枝碳纳米材料。该方法通过固相剪切的方法实现聚合物与碳纳米材料的均匀混合，不但明显改善碳纳米材料在聚合物中的分散程度，而且可以显著地提高聚合物复合材料中碳纳米材料的质量分数，进而改善聚合物的物理力学性能和电学性能。

技术领域

本发明涉及高性能聚合物材料制备领域，具体是一种固相剪切制备聚合物接枝碳纳米材料的方法。

背景技术

20世纪末、21世纪初先后发现的碳纳米管和石墨烯具有优良的物理力学和电学性能。石墨烯是一种由sp²杂化的碳原子组成的具有二维面状结构的单原子片层的碳材料，而碳纳米管则可以看作是由石墨烯片卷曲形成的一种一维管状碳材料。碳纳米管根据其管壁层数的不同可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。这两种碳纳米材料在复合材料的制备领域有着重要应用。

目前实现这两种碳纳米材料与聚合物混合的方法主要有三种：(1)原位聚合法：利用碳纳米材料表面存在或经过物理、化学方法处理后存在自由基或含氧基团的特点，将其视作一种可反应单体与可形成聚合物的单体发生自由基聚合反应或缩聚反应，如，申请号201410614121.5中公开的在己内酰胺聚合过程中加入苯乙烯-马来酸酐接枝的氧化石墨烯，经缩聚反应制备聚酰胺接枝石墨烯材料的方法；(2)溶液共混法：首先将聚合物溶入溶剂，然后加入一定质量碳纳米材料，混合均匀后直接使用，或者在沉淀剂中析出得到聚合物/碳纳米材料混合物，如《复合材料学报(2010,27(1):12-17)》公布了将聚酰胺66溶入甲酸，制成溶液，然后加入多壁碳纳米管的甲酸分散液，合并后再超声波处理2h，强搅拌下缓慢加入无水乙醇，聚酰胺/碳纳米管从溶液中析出，抽滤得到混合物；(3)熔融共混法：将聚合物粉末或切粒与碳纳米材料混合后熔融挤出，利用螺杆、双螺杆或密炼机的搅拌、剪切作用实现碳纳米材料在聚合物中的分散，如《复合材料学报(2011,28(2):16-21)》公布了将聚酰胺66和不同质量分数的多壁碳纳米管混合，在双螺杆熔融挤出机中共混挤出，制得切片，然后在60℃真空干燥6h，得到混合物。

现有技术制备得到聚合物/碳纳米材料混合物的工艺比较繁琐，或者涉及到有机溶剂的使用和脱除，使得制备过程不环保，并且除原位聚合法外，溶液共混法和熔融共混法得到的混合物中聚合物分子链与碳纳米材料之间只有范德华力，相互作用力较弱，容易造成碳纳米材料在聚合物中分散不均匀，从而难以达到理想的物理力学和电学性能改性效果，在实际应用中受到很大限制。更进一步，目前的这三种方法均不能实现高碳纳米材料质量分数的聚合物复合材料制备，一般来说，这三种方法制备的复合材料中碳纳米材料的质量分数不超过3％，继续提高碳纳米材料含量时，由于碳纳米管的长径比大而发生缠绕，或石墨烯层间发生堆叠，造成碳纳米材料在聚合物中分散不匀，且加工性能急剧下降，无法制备出所需的聚合物复合材料，或者制备出的聚合物复合材料的物理力学或电学性能达不到预期目标，不能实现本发明的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种固相剪切制备聚合物接枝碳纳米材料的方法。该方法通过固相剪切的方法实现聚合物与碳纳米材料的均匀混合，在碳纳米材料表面接枝聚合物分子链，不但明显改善碳纳米材料在聚合物中的分散程度，并进一步在聚合物分子链与碳纳米材料之间形成化学键的方法，而且可以显著地提高聚合物复合材料中碳纳米材料的质量分数，进而改善聚合物的物理力学性能和电学性能。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种固相剪切制备聚合物接枝碳纳米材料的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将碳纳米材料与助分散剂混合均匀，使得碳纳米材料表面均包覆有助分散剂；助分散剂的质量是碳纳米材料质量的0.1～5wt％；