[发明专利]一种高性能石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法，该方法使用极低添加量的，有着特定尺寸以及碳氧比的单层高质量改性石墨烯与己内酰胺进行原位聚合得到石墨烯/尼龙6复合材料。石墨烯在尼龙6中起到了成核剂、增强填料以及紫外防护等作用。仅添加极少量的改性石墨烯即可使这种石墨烯/尼龙6复合纳米材料相比纯尼龙在机械性能、耐高温性能、抗紫外老化性能等方面有了显著的提升。石墨烯在聚合物基体中分散性佳，用量少，最终产品可加工性好，可以进行工业化多丝束高速纺丝。本发明所涉及制备工艺简单有效，无须对现有尼龙6聚合设备进行改动，是一种极具市场竞争力的生产技术。

技术领域

本发明属于尼龙复合材料领域，具体涉及一种利用原位聚合法制备超低石墨烯添加量的高性能石墨烯/尼龙6纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子组成的二维单层层状材料。石墨烯自身拥有高强度(130GPa)、高导热率(5000W m^-1K^-1)、高导电率(108S m^-1)以及良好的气体阻隔性等特性，是一种理想的层状纳米填料。尼龙6(聚酰胺6)是尼龙工程塑料中产量最大和应用最广的产品，其综合性能好、性价比高。可以应用于汽车工业、电器工业、机械行业以及民用生活材料等诸多领域。

因此，将石墨烯均匀的分散在尼龙体6系中得到的尼龙纳米复合材料能够大大提升尼龙6的诸多性能，如热性能、力学性能、阻燃性及阻隔性能等，从而提高尼龙纳米复合材料的附加值，是现今尼龙6材料的重要发展方向。

石墨烯/尼龙6复合材料的综合性能取决于(1)石墨烯在聚合物基体中的分散性，(2)石墨烯与尼龙界面间的粘结性，以及(3)石墨烯自身的性能，如横向尺寸、层数以及氧化程度。其中石墨烯在聚合物基体中的分散性决定着石墨烯的用量以及最终复合材料的可加工性。石墨烯容易团聚，若分散不佳复合材料不仅断裂伸长率低，且不能用于高速纺丝，因为石墨烯团聚体容易堵塞纺丝头。目前制备石墨烯/尼龙6纳米复合材料的方法主要分为两种：(1)机械共混法，这种方法是将尼龙6熔体与石墨烯用挤出机或密炼机等进行机械共混，所得的复合材料虽然能在某些机械性能上有所提升，但是这种二次加工方式不但耗能高，还会破坏聚合物分子链造成部分性能下降。此外这种方法石墨烯在聚合物基体中的分散性较差，且石墨烯与聚合物界面间粘结性差，使得石墨烯使用量大，增强效果有限；(2)原位聚合法，这种方法是在聚合阶段就将石墨烯加入聚合体系来获得尼龙6复合材料，这种方法的关键在于聚合结束后石墨烯仍能良好地分散在聚合物基体中，否则复合材料的各项性能的提升将大打折扣。以氧化石墨烯或氧化石墨进行原位聚合虽然利用其丰富的氧化官能团能够保证石墨烯在尼龙6中的分散性但由于氧化石墨烯或氧化石墨缺陷多，自身性能欠佳，复合材料的性能提升空间有限。若以石墨烯或还原石墨烯作为添加剂进行原位聚合，由于缺少官能团石墨烯在聚合单体中的分散性差，极大地影响了石墨烯在聚合物中的的分散性，从而需要增加石墨烯用量，也影响了最终复合材料的性能。

Macromolecules 2010,43,6719报道了一种利用原位聚合法将氧化石墨烯与己内酰胺进行原位聚合制备尼龙6复合材料的方法，但所用氧化石墨烯横向尺寸小、径向尺寸分布宽、缺陷多，对聚合物性能提升有限；且由于氧化石墨烯含有大量羧基使得聚合物分子量随氧化石墨烯添加量增加而减小，不利于最终产品进行高速纺丝。中国专利CN101760011B公开了一种用氧化石墨的原位插层聚合技术制备尼龙6复合材料的方法，所得复合材料具有导电阻燃的性能。但所述氧化石墨不是氧化石墨烯，因此添加量也较大，需0.5-10％。中国专利CN103215689B公开了一种用表面带有活性胺基的氧化石墨烯与己内酰胺进行原位聚合得到石墨烯改性的尼龙6复合材料的方法。该方法改善了石墨烯与聚合物界面的粘结性，但制备过程需要对氧化石墨烯进行酰胺化改性，且石墨烯添加量大于1％。目前，超低石墨烯添加量、综合性能优异，且能够进行工业化多丝束高速纺丝(纺丝速度大于600米/分钟)的石墨烯/尼龙6复合材料还未见报道。

发明内容