[发明专利]碳纳米管基导电阻燃型水性聚氨酯涂料制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管基水性聚氨酯复合材料的制备方法，具体涉及碳纳米管基导电阻燃型水性聚氨酯涂料和胶黏剂制备方法。

背景技术

碳纳米管是由Iijima在1991年发现的，主要是由碳六边形(弯曲处为碳五边形和碳七边形)组成的单层或多层管状纳米材料。碳纳米管具有极优的力学性能，其模量和强度可达200GPa～1000GPa和200MPa～900MPa之间。与一般的无机填料相比，碳纳米管的长径比高达100～1000，具有极好的柔韧性，且与聚合物具有相容性良好。此外，碳纳米管还具有优异的电导率，优良的电性能、磁性能和光性能，用碳纳米管复合的材料可以大幅度提高导电、导热性能、电磁屏蔽性能和光电子发射性能和耐热性能。同时，加入到聚合物中的碳纳米管在聚合物燃烧过程中形成网络结构的积炭隔热保护层，致密且无裂纹，阻碍了热量传递，从而增强了聚合物的阻燃性（参考：碳纳米管/聚合物复合体系阻燃性能的研究进展[J].纺织学报2009,3（30）：136-142）。

水性聚氨酯作为一种常见的高分子材料，具有高弹性、良好的挠曲性、较高的弹性模量以及优良的耐磨性能，并具有良好的耐候、耐油、耐脂和耐许多种溶剂等优良的性能，此外水性聚氨酯产品形态多样、成型工艺简便，因而被广泛应用于诸多工业领域。但水性聚氨酯涂料产品强度不高，耐热、耐水、抗静电、阻燃等性能差，限制了其进一步的应用。碳纳米管与水性聚氨酯涂料的复合则将两者的优点集于一体，成为具有新型功能的材料。碳纳米管基导电阻燃型水性聚氨酯涂料主要是利用碳纳米管优良的力学、热学性能来大幅度提高材料的强度、韧性和阻燃性，以及利用其良好的电子传输性能能来提高涂料的导电性和电磁屏蔽性等。

碳纳米管改性水性聚氨酯的方法主要两种：一是物理共混，是指碳纳米管与聚氨酯通过机械法或溶液形式、乳液形式、熔融形式等直接混合；二是原位聚合法，是指将表面改性过的碳纳米管作为单体加入到聚氨酯聚合过程中，混合均匀后，引发单体聚合形成复合材料。经表面处理的碳纳米管表面含有-OH、-COOH、-NH₂等活性基团时，这些基团能够与聚氨酯的异氰酸酯单体中的-NCO基反应，使得碳纳米管和聚氨酯主链间通过化学键结合，形成性能优良的复合材料。原位聚合法是在聚氨酯单体聚合反应过程中加入碳纳米管，更容易均匀分散，且与聚氨酯的结合以化学键相结合，碳纳米管在基体中的能更稳定分散，所以这种方法逐渐得到人们的重视。水性聚氨酯普遍存在耐热性能和机械性能不佳的情况，用碳纳米管掺杂化学改性聚氨酯，既保留了聚氨酯的基本的性能，又能使复合材料的强度、热稳定性、导电性能和耐磨性等得到显著提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高分散性碳纳米管基水性聚氨酯复合材料的制备方法，提高碳纳米管在聚氨酯乳液中的分散性和增强与聚氨酯基体的界面结合力，得到高分散性的碳纳米管基水性聚氨酯复合材料，以改善水性聚氨酯涂料的导电性和阻燃性等性能，提高其应用附加值。

本发明采用的技术方案如下：

碳纳米管基导电阻燃型水性聚氨酯涂料和胶黏剂制备方法，其典型特征在于制备步骤如下：

（1）制备羧基化碳纳米管

将一定比例的碳纳米管加入到质子酸中混合，反应温度为50~70℃，在超声功率为200W、超声频率为40KHz的超声波清洗器中冷凝回流1~5h，超声后用250~350g去离子水稀释，然后用直径为0.2μm的微孔滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤直至中性，最后在105℃下烘12h，研磨至微细粉末状，即得羧基化碳纳米管；

其中，每100mL质子酸加入的碳纳米管量为0.1g~0.5g；

（2）制备酰胺化碳纳米管

将步骤（1）制得的羧基化碳纳米管加入到50~150g二甲基甲酰胺溶剂中，加入丙烯酰胺和分散剂、稳定剂，在功率为200W、频率为40KHz条件下超声分散10~60 min，然后置于60~80℃恒温水浴中反应48~72h，分别用25~50g二甲基甲酰胺、25~50g去离子水洗涤，过滤后在105℃下真空干燥12h，得到酰胺化碳纳米管；

其中所述的羧基化碳纳米管、丙烯酰胺、分散剂和稳定剂的用量比例以重量份：羧基化碳纳米管4~30份，丙烯酰胺30~250份，分散剂15~30份，稳定剂10~30份；

（3）制备导电阻燃型碳纳米管基水性聚氨酯涂料和胶黏剂乳液