[发明专利]一种高性能尼龙纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能尼龙纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：以自制纳米二氧化硅为填料，首先通过大分子设计在纳米SiO₂球表面接枝上与尼龙具有相似化学结构特征的聚氨基酸分子链，期望同时发挥粒子物理网络和接枝分子链与基体分子链缠结网络的双重网络结构作用，从而实现纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散以及纳米粒子与基体材料良好的界面作用。然后将大分子改性的SiO₂添加至尼龙中进行熔融共混，从而开发出一种新型的且有广泛应用前景的高性能尼龙纳米复合材料。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能尼龙纳米复合材料的制备方法。

背景技术

纳米材料应用于聚合物中，可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能完美结合起来，从而获得性能优异的复合材料。虽然纳米材料能够全面改善聚合物的综合性能，还能赋予其独特的物理化学性能。但是由于纳米粒子的粒径很小，表面能较高，易于团聚形成二次粒子，导致纳米粒子在聚合物中分散性差，无法表现出受人青睐的表面积效应、体积效应及量子尺寸效应等，严重影响其使用效果。在实际生产应用中，如何对纳米粒子进行表面改性，减少团聚和结块，提高分散性、流变性及光催化效果等是纳米材料科学领域十分重要的研究课题之一。

纳米粒子的表面化学改性是通过一定的工艺方法使纳米粒子表面的活性基团与化学物质发生反应，来消除或减少其表面活性基团的量，以达到改变表面性质的目的。常用于纳米粒子表面改性的方法有硅烷偶联剂改性法、表面活性剂改性法以及无机物包覆等。纳米粒子表面有大量活性基团，有利于与偶联剂的一端发生反应，偶联剂的另一端与聚合物基体作用，使纳米粒子在聚合物中以交联中心的形式存在，提高了分子间的键合力，基本消除结构化效应，从而改善了其与聚合物表面的湿润性和分散性，提高补强用量，并可以提高力学性能。

纳米粒子经过表面小分子有机化改性后，虽与聚合物基体的相容性有所提高，但小分子由于分子量较小，不能包裹太严，在加工过程中容易暴露出极性表面，因此有机改性后的纳米粒子分散性达不到增强基体材料性能所需要的要求，应用效果达不到最大，并且填充剂价格较高，硅氧偶联剂价格昂贵，因此发展新的改性方法并揭示其作用机理，是提高纳米粒子与基体相容性的关键。

除了利用硅烷偶联剂等小分子对纳米粒子的改性工作外，另外一个更为有效改善纳米粒子分散及与基体作用力的手段就是通过化学接枝方法在纳米粒子表面接枝与基体聚合物性质相同的分子链。目前，在这种化学改性中，有两种方法被使用到，一种是粒子表面引发接枝的“Grafting from”，另外一种是将制备好的大分子链引入粒子表面的“Grafting to”的方法。这两种方法都能很好的改善粒子表面的极性，同时，因为与基体分子链的化学结构完全一致，也能极大的增强粒子与基体之间的作用力。这两种手段在聚合物纳米复合材料中都被采用，但也各有优缺点：“Grafting from”能够对粒子表面接枝的聚合物分子链的分子量和接枝密度精确控制，例如众多课题组采用活性聚合的方法，如原子转移自由基聚合ATRP，能够精密的控制粒子表面接枝的分子链的性质，“Grafting from”法还常采用开环聚合，缩聚等方法在粒子表面引入大分子链，可以利用本体反应或者溶液反应。但采用“Grafting from”法改性，因为引发点多，反应后期位阻大，所制备的分子链的分子量受到限制，但是接枝密度也相对较大，例如Carrot等采用这种方法在CdS表面接枝PCL分子链，通过控制引发剂和单体的比例能够得到的最大分子量为16000g/mol。而通过“Grafting to”法在纳米粒子表面引入分子链，能够得到高分子量的分子支链，但是接枝密度因为大分子链的位阻效应会相对较低，同时反应条件相比“Grafting from”也较为苛刻，通常采用亲核加成、酰氯化或者酰胺化等反应来制备。