[发明专利]一种碳纳米管原位改性聚内酰胺复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种碳纳米管原位改性聚内酰胺复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

碳纳米管是一种由碳六边形的石墨片层卷曲而成的中空管状物质，直径为1～50nm，根据层数可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于其独特的结构、大的表面积、良好的机械性能和导热导电性，使其在塑料领域得到广泛的关注。但是，由于碳纳米管的比表面积和表面能比较大，使得碳纳米管很容易团聚，影响了碳纳米管在基体中的分散。而且碳纳米管表面光滑，呈非极性，不溶于一般的有机溶剂，与所有的聚合物都不相容，使得复合材料的界面作用不强，碳纳米管和高分子材料复合，可以充分利用碳纳米管的各种特性，增强改善高分子的性能。

脂肪族聚酰胺是一种机械强度较高、抗冲击性能优良的塑料材料，是用量最大的工程塑料之一，也是工程应用较广泛的摩擦学聚合物材料。但脂肪族聚酰胺与大多数高分子材料一样都是具有良好电绝缘性能的材料，易引起静电事故，同时脂肪族聚酰胺的干摩擦系数高，限制了它在摩擦学系统中的应用。因此借助物理化学改性技术不断赋予聚酰胺品种高性能，以促进其在各领域的应用。

结合碳纳米管与聚酰胺的各自特点，利用碳纳米管改性尼龙的研究逐渐兴起，一些聚酰胺-碳纳米管高性能复合材料也时有报道。诸如朱诚身(高分子材料科学与工程，2009，25：39-42)利用高压聚合釜合成了具有较高弹性和弯曲模量的尼龙6/多壁碳纳米管复合材料；高超(高分子学报，2008，2：188-191)利用原位缩聚法制备了具有较高拉伸模量的碳纳米管/尼龙11复合材料；中国发明专利“一种改性碳纳米管/尼龙复合材料”(CN103044914A)中，运用机械方法将改性多壁碳纳米管分散到尼龙1212中，制备出性能良好的复合材料。

发明内容

为解决改性剂碳纳米管分散性差、界面粘附力差、材料性能不稳定等问题，本发明提供一种碳纳米管原位改性聚内酰胺复合材料及其制备方法，本发明的复合材料分散性好、相容性好、性能稳定。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种碳纳米管原位改性聚内酰胺复合材料，所述的复合材料的拉伸强度为65～105MPa，抗冲击强度为90～175J/m，体积磨损率为(0.8～4.0)x10^-5mm³N^-1m^-1。

所述的制备方法为以下步骤：

(1)将碳纳米管超声分散于甲苯中，然后在磁力搅拌条件下，加入偶氮引发剂，在惰性气体保护下70～90℃搅拌反应3～6h，反应产物经洗涤、干燥后得到偶氮引发剂改性的碳纳米管粉末；

作为优选，碳纳米管选自乙二胺功能改性的碳纳米管(CNTs-EDA)。制备方法为：称取重量份1份碳纳米管，置于容器中，加入30～60ml的混合酸(浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1)中于40～70℃回流3～6h，然后真空抽滤，将得到的黑色固体，反复用蒸馏水冲洗过滤，直至滤液pH值接近中性为止，得到酸切割碳纳米管，然后将得到的酸切割碳纳米管置于60～100℃真空干燥箱中干燥12～36h，得到酸处理后的改性碳纳米管；将酸处理后的改性碳纳米管1份与4～8份氯化亚砜反应回流12～36h，将碳纳米管表面的羧基转换为酰氯。之后用四氢呋喃冲洗去除氯化亚砜后，于室温下真空干燥12～36h。将干燥后的产物与乙二胺按质量比1～3∶1比例在130～140℃回流反应12～36后冷却至室温，将反应产物滤出后用乙醇洗涤干燥，得到乙二胺功能改性的碳纳米管(CNTs-EDA)。

所述的碳纳米管选自单壁碳纳米管(SWCNTs)、双壁碳纳米管(DWCNTs)、多壁碳纳米管(MWCNTs)中的一种或几种，其中碳纳米管的直径为0.5～20nm，长度为1～50μm。

(2)在容器中加入偶氮引发剂改性的碳纳米管粉末，NiCl₂·6H₂O和四氢呋喃，在惰性气体保护下超声分散30min，加入Al粉后反应10～30min后，经后处理得到氨基改性碳纳米管粉末；

NiCl₂·6H₂O与偶氮引发剂改性的碳纳米管粉末的重量比为6～9∶1，Al粉与偶氮引发剂改性的碳纳米管粉末的重量比为1～3∶1。