[发明专利]一种酰胺化石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种酰胺化石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法；该制备方法是将氧化石墨烯分散于去离子水中，再加入催化剂在常温下搅拌活化羧基，再加入氨基改性剂，常温下搅拌反应，经过滤、洗涤后真空干燥，得到酰胺化石墨烯粉末；将酰胺化石墨烯和去离子水加入己内酰胺熔体中，超声搅拌形成分散液，在氮气氛围下，将所得分散液移至高温高压反应釜中升温至250～270℃下反应，得到聚合物熔体；聚合物熔体经水冷造粒后得到石墨烯/尼龙6纳米复合材料；本发明所制备的酰胺化石墨烯/尼龙6纳米复合材料相比于纯尼龙6具有极佳的强度、韧性和加工性能，可作为结构部件用于汽车配件、医疗器械、电子电器等领域。

技术领域

本发明涉及尼龙复合材料，具体涉及一种酰胺化石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法，本发明超低石墨烯添加量，制备方法为原位聚合法。

背景技术

尼龙6(PA6)作为最具代表性的聚酰胺工程塑料之一，分子链上大量酰胺基团的存在使其具备物理机械性能优异、自润滑性能优异、耐磨性能优良等优点；但其吸湿性大、脆性大、冲击强度低等缺点极大限制了PA6的应用。为了获得性能更加优异，且满足特殊要求的材料，人们日益重视对PA6的改性研究。

石墨烯是一种二维单原子厚度的碳片，碳碳键的键长为0.142nm。石墨烯具有优异的电学性能，电子迁移率高达200000cm²·v^-1·s^-1；具有优异的导热性能，热导率和导热系数分别高达5300W·m^-1和3000W/(m·K)；具有优异的机械性能，杨氏模量和断裂强度分别为1100GPa和125GPa；具有极高的比表面积，高达2600m²·g^-1。添加少量的石墨烯即可提升聚合物材料的性能，同时还能保持聚合物材料本身的优势。

因此，将石墨烯均匀地分散在尼龙6材料中得到尼龙纳米复合材料能大大提升尼龙6的力学性能、导热性及阻燃性等，从而有效提高尼龙纳米复合材料的应用领域，是如今尼龙6复合材料发展的重要方向。石墨烯/尼龙6纳米复合材料的性能取决于石墨烯的添加量，石墨烯在尼龙基体中的分散性以及石墨烯与尼龙界面的黏结性。若石墨烯添加量太大，由于石墨烯强大的范德华力使得其具有易团聚及疏水性强等特点，这将极大地影响了石墨烯在聚合物中的分散性及黏结性，若分散不佳则复合材料不仅强度低，且断裂伸长率及冲击强度会下降，大量添加的石墨烯也会增加生产成本，现有技术一般添加量为1～10％，本发明制备的酰胺化石墨烯添加量仅需0.1～0.5％。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化产物，在石墨烯表面引入了大量含氧官能团，与石墨烯相比，氧化石墨烯除了兼具石墨烯的优异特性，还具有良好的亲水性及表面活性，能被小分子或聚合物改性，能有效改善石墨烯在尼龙6中的分散性。同时，采用原位聚合的方法将改性石墨烯在聚合前就分散到己内酰胺单体中，己内酰胺再通过开环聚合生成尼龙6，能解决纳米粒子在改性尼龙6过程中的分散问题。

中国发明专利CN103102682A公开了一种石墨烯增强增韧尼龙树脂，由重量百分比为68-76％的尼龙66或尼龙6、20-25％磷氮结构协效尼龙阻燃剂、1-5％改性石墨烯、1-2％的其它助剂组成。其制备方法是，先对石墨烯进行表面预处理，石墨烯表面处理后，与各种助剂混合，原料在高速搅拌斗中混合均匀，从混料口中加入到温度设定为220℃～280℃、长径比(L/D)为32∶1-40∶1的双螺杆挤出机中，抽真空造粒。该技术通过熔融共混法将石墨烯添加到尼龙6基体中来提高复合材料的强度，但通过这种方法制备的复合材料，石墨烯的添加量大于1％，会在聚合物基体中团聚，分散性较差，达不到理想的效果。

中国发明专利CN106633037A公开了一种石墨烯/尼龙-6复合材料制备方法，包括以下步骤，(1)己内酰胺单体预处理；(2)石墨预插层及溶胀；(3)原位聚合与石墨层剥离；(4)产物清洗与干燥；该技术通过单体预插层并在石墨层间进行原位聚合反应，实现尼龙6合成的同时，剥离天然石墨为石墨烯，从而制得石墨烯/尼龙6高导热复合材料，所得复合材料具有高导热的性能，但该技术石墨烯由天然石墨剥离得到，层数较多且容易团聚，添加量也较大，需1～10％。