[发明专利]一种聚合物互穿网络与碳纳米管的复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及互穿网络复合物的制备技术领域。

背景技术

互穿网络复合物（IPN）是两种或两种以上交联聚合物相互贯穿而形成的交织聚合物网络，可以看作是以化学的方法来实现聚合物物理共混的一种技术，通过互穿网络之间强迫互溶实现分子水平上均匀贯穿，从而使复合材料同时具有组成互穿网络各组分的优良性质。聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合物是互穿网络中研究的比较热门和成熟的领域，聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合物可以将聚氨酯的高韧性、高弹性和环氧树脂的高强度、高稳定性能结合起来，从而使复合材料的性能极大的改善，应用领域极大的拓宽。不过制备聚氨酯的聚酯多元醇或聚醚多元醇都强烈依赖于石油资源，这种不可再生性限制了基于聚氨酯的互穿网络材料的制备和应用。因此，寻求新的、可再生的聚氨酯合成原料亟不可待，而蓖麻油正是这样一种优异的原料。蓖麻油分子中丰富的羟基和双键为其作为聚氨酯原料的多元醇组分提供了可能，也为进一步改性聚氨酯提供了可能。

碳纳米管是近年来涌现出来的一种新型的纳米材料。较大的长径比和优异的力学强度使其成为了高分子材料填充改性的新一代纳米填料。如果能够将碳纳米管均匀分散到聚氨酯/环氧树脂互穿网络材料中，一方面就有可能利用碳纳米管的纳米结构增强互穿网络内部聚氨酯与环氧树脂两者的结合；另一方面，碳纳米管优异的力学性能还可能提高复合材料的强度；此外，碳纳米管的导电性还可能赋予复合材料的一定的导电能力，从而使其具有更广阔的应用潜能。

但是，碳纳米管极大的比表面积使其表面能极高，在高分子基体中不易解离分散。目前常用的熔融共混法或者溶液共混法均不能使碳纳米管很好的分散在基体介质中，因此这也制约着碳纳米管作为高分子材料，尤其是高分子互穿网络材料的增强填料的应用。

发明内容

本发明目的是提出一种可提高复合材料中碳纳米管的分散均匀度的聚合物互穿网络与碳纳米管的复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是：将蓖麻油和碳纳米管混合形成悬浮体系；在所述悬浮体系中先采用原位聚合的方法合成碳纳米管原位复合的聚氨酯预聚体，然后再将碳纳米管原位复合的聚氨酯预聚体与环氧树脂混合后，在扩链剂、催化剂和固化剂的作用下，进一步反应制备即可得到聚合物互穿网络与碳纳米管的复合材料。

本发明首先利用可再生的生物资源——蓖麻油作为合成聚氨酯的原料，然后将碳纳米管分散在蓖麻油中成为稳定的悬浮体系，利用原位聚合法制备出聚氨酯预聚体，再进一步与环氧树脂互穿，制备碳纳米管原位复合的基于可再生资源的聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合材料。利用此法制得的复合材料，碳纳米管的分散均匀，材料的玻璃化转变温度、拉伸强度以及杨氏模量，特别是高温下的杨氏模量都显著提高，与单纯的聚氨酯/环氧树脂互穿网络材料相比，复合材料的综合性能更加优异。此外，通过改变碳纳米管浓度及其表面官能团，还可以设计和控制互穿网络复合材料的性能。

本发明的关键是：通过原位聚合的方法将碳纳米管复合到互穿网络材料当中，从而改善碳纳米管在基体中的分布和分散是本发明技术方案的关键。这其中，首先将碳纳米管和蓖麻油混合成稳定的悬浮体系，并制备出碳纳米管原位复合的聚氨酯预聚体是实现碳纳米管在互穿网络基体中良好分散的关键技术。

本发明制得的产品特优是：

（1）通过选着可再生资源蓖麻油作为制备聚氨酯的单体之一，有效缓解了由于石油危机而造成的能源短缺问题，同时，作为一种多官能团化的物质，蓖麻油分子上丰富的双键和羟基为实现聚氨酯的进一步改性提供了可能。

（2）利用互穿网络技术得到了聚氨酯与环氧树脂的复合材料，有效结合了两种材料各自的优点，弥补了作为单一组分的不足；在此基础上进一步结合了碳纳米管的高强度高模量的特点，从而极大的提升了聚氨酯/环氧树脂互穿网络的性能。

（3）碳纳米管的分散均匀，材料的玻璃化转变温度、拉伸强度以及杨氏模量，特别是高温下的杨氏模量都显著提高，与单纯的聚氨酯/环氧树脂互穿网络材料相比，复合材料的综合性能更加优异。

（4）通过改变碳纳米管浓度及其表面官能团，还可以设计和控制互穿网络复合材料的性能。这不仅为制备纳米粒子均匀填充的互穿网络复合物材料提供了一种方法，也为拓展聚合物互穿网络材料的应用提供了可能性。

另外，本发明所述蓖麻油和碳纳米管的混合质量比为0.2～4︰100。如碳纳米管的加入量过少不利于发挥自身的增强效果，但如碳纳米管的加入量过大的又会极大的增加混合体系的粘度，使得后期的浇铸成型不易实施。控制蓖麻油和碳纳米管0.2～4︰100的混合质量比则可以在不影响成型的情况下实现较为明显的增强。