[发明专利]一种热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法，特别涉及一种热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料及其制备方法。

纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm量级的复合材料。由于纳米分散相大的比表面积和强的界面相互作用，使得纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热学、电磁和光学性能。因此，纳米复合材料自其诞生起便受到全球科技界的广泛重视和关注。

聚合物/无几纳米复合材料便是一类发展很快的新型复合材料。这其中，聚合物/粘土纳米复合材料由于其原料来源广泛，价格低廉，材料性能优越等特点很有希望在较短时间内实现大规模生产。因此，自从1987年日本学者(Polym.Prepr.，1987，28：447)首次报道了将尼龙-6与蒙脱土复合得到综合性能明显改善的尼龙复合物之后，许多国内外学者对这一领域倾注了极大的热情。在短短十几年时间内他们将多种聚合物成功与粘土实现了纳米级复合。这些聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氧化乙烯、环氧树脂、硅橡胶等。研究表明，聚合物/粘土复合材料主要是通过插层方法实现聚合物与粘土的均匀复合的。粘土类硅酸盐是一种层状硅酸盐结构，片层厚度一般在1nm左右，片层间距在0.8-2.1nm之间。因此，当聚合物插入这些片层之间并使这些片层均匀分散在聚合物基体中时就可形成纳米分散的聚合物/无机纳米复合材料。

酚醛树脂作为一种应用非常广泛的聚合物材料在复合材料的研究中有着特殊的地位。所以，研究开发酚醛树脂/粘土纳米复合材料具有重要的学术意义和经济价值。但由于酚醛树脂的分子多呈三维结构，难以有效插入粘土类硅酸盐片层之间。为此，有人(U.S.Patent4889885)用对氨基苯酚对蒙脱土进行有机化处理，再与苯酚、甲醛发生插层聚合得到酚醛树脂/蒙脱土复合材料；也有报道先将蒙脱土有机化处理，再与酚醛树脂在高温下熔融复合，得到熔融插层的复合材料(Min Ho Choi，et al，Chem.Mater.，12(10)，2977)。然而，上述方法均需要对蒙脱土等进行有机化处理，工艺过程较为复杂，生产成本较高。

本发明的目的在于提供一种热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料，其采用层状硅酸盐粘土，无需进行有机处理，可以达到完全纳米分散。

本发明的另一个目的在于提供一种该热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料的制备方法，该方法工艺过程简单、生产成本低廉。

本发明的热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料，由组成为100重量份酚、60～80重量份醛、0.5～20重量份层状硅酸盐粘土、和0.5～10重量份催化剂的原料制备得到，其中所述催化剂为有机酸或无机酸。

本发明热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料的制备方法包括下述步骤：先将所述酚、醛和粘土在所述分散介质中高速搅拌，形成稳定的胶体分散体系，然后加入所述催化剂，在85～100℃聚合约1-5小时，真空脱水得到热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料。

本发明的目的是这样实现的：直接将未经有机化处理的层状硅酸盐粘土在酚、醛单体中预分散，然后在酸性催化剂的作用下进行缩聚反应，粘土片层被剥离并均匀分散于酚醛树脂基体中得到热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料。

本发明的热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料的具体制备方法如下：

1)将酚100份(重量份)、醛60～80份和阳离子交换总容量为50～200meq/100g的粘土0.5～20份在分散介质0～100份存在下高速搅拌0.5-5h，形成稳定的胶体分散体系。

2)加热升温，当温度升至65℃时，加入所述催化剂，再升温至80-100℃聚合反应2-5小时。

3)在40-80℃真空脱水至水含量＜10％，得到粘土片层完全剥离的并在树脂基体中形成纳米级分散的热塑性酚醛树脂/粘土纳米复合材料。

在本发明中，所用的酚和醛是制备常规酚醛树脂所使用的酚和醛。本发明中所用的酚可以是苯酚、萘酚及其烷基取代物。本发明中所用的醛可以是甲醛、多聚甲醛及芳香醛。

本发明中所用的所述的粘土为一类含80％以上的蒙脱土、膨润土、锂蒙脱石或蛭石类型的层状硅酸盐矿物，粒径200～400目，比表面积700～800m²/g，层间有Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等是可交换性阳离子，离子交换总容量(CEC)50～200meq/100g，粘土层厚度为0.9-1.1nm，层间距离为0.8～2.1nm。