[发明专利]利用聚合物发泡材料孔壁拉伸作用促进纳米填料分散的方法

说明书

本发明提供了利用聚合物发泡材料孔壁拉伸作用促进纳米填料分散的方法，包括以下步骤：将聚合物/纳米填料预混物热压成型形成坯体，将坯体置于高压腔体中，向高压腔体中通入作为发泡剂的气体对坯体进行溶胀渗透，然后发泡形成蜂窝状的泡孔结构，在发泡过程中，坯体内的纳米填料因受到泡孔壁生长过程的拉伸作用而彼此分散开，纳米填料的团聚结构被打破，得到纳米填料分散分布于泡孔壁上的发泡材料；热压去除发泡材料中的泡孔结构，得到纳米填料在基体中均匀分散的聚合物纳米复合材料。本发明可在不破坏填纳米料形貌、不降低纳米填料性能及简化操作和增加环保性的基础上促进纳米填料在基体中的分散，有效改善高分子纳米复合材料的性能。

技术领域

本发明属于聚合物纳米复合材料制备技术领域，涉及聚合物纳米复合材料中纳米功能填料分散技术，具体涉及利用聚合物发泡材料孔壁拉伸作用促进纳米填料分散的方法

背景技术

高分子材料具有重量轻、柔性、耐腐蚀等优势，在诸多领域广泛应用。与此同时，具有不同形貌结构的碳纳米材料常作为功能填料添加到高分子基体中，例如零维(0D)的炭黑(CB)，一维(1D)的碳纳米管(CNT)以及二维(2D)的石墨烯(GNS))等，这些功能填料可显著提高高分子材料的物理化学性能，使得高分子纳米复合材料广泛地用作智能传感材料、电磁屏蔽材料、介电储能材料、导热材料以及抗老化材料等。

研究发现，高分子纳米复合材料的物理化学性能与其内部功能填料的分布状态密切相关。在导电性能方面，与非均匀分散的功能填料网络结构相比，均匀分散的功能填料更易于形成联通的导电网络结构，从而提高材料的导电性能；在介电性能方面，均匀分散的功能填料可以在高分子材料基体中形成大量的微电容结构，从而显著提高材料的介电常数，降低介电损耗；在抗击穿性能方面，带有团聚体结构的高分子复合材料更易于产生电荷集中，从而降低材料的抗击穿性能；在导热性能方面，均匀分散的功能填料更易于形成相互联通的导热网络结构，从而提高材料的导热性能。然而，由于纳米填料的表面的活性较高，添加到高分子基体中的纳米材料很容易发生团聚现象，从而导致复合材料的物理化学性能降低。

近年来研究人员针对纳米填料填充高分子材料进行了大量研究，但实现高分子材料中纳米填料的均匀分散仍然具有较大难度。目前，研究人员通常使用物理分散法和化学改性法构建碳系填料填充高分子纳米复合材料中碳系导电功能填料均匀分散的3D网络结构。物理分散法包括熔融分散法和超声分散法。化学改性法是指对碳系导电填料表面进行化学改性，例如在CNT表面接枝分子链或者在其表面包覆聚多巴胺包覆层，以提高碳系导电填料表面与高分子基体材料的亲和性，进而提高碳系填料在高分子材料基体中的分散程度。

然而，利用上述物理及化学法提高填料的分散性存在以下问题：(1)在物理分散方面，长时间的熔融共混剪切以及超声分散作用会极大地破坏填料(特别是纤维状和片状填料)的形貌结构，例如，会导致1D纤维状填料的长径比减小、2D片状填料的直径减小，填料形貌结构的改变会造成其物理化学性能的降低。(2)在化学改性方面，化学接枝法和表面包覆法大幅度减小了自由电子的移动，因而不利于相邻碳纳米填料间微电容结构的形成，包覆层的引入还会显著降低材料导热性能；同时，在碳纳米填料表面的化学改性过程中需使用大量有毒溶剂，操作复杂、成本高且对环境有害。因此，若能开发出绿色环保而且可以在不可破坏填料形貌的条件下促进碳系填料在高分子基体中均匀分散的方法，对于促进高分子纳米复合材料的发展是具有重要意义的。

发明内容

针对现有促进填料在高分子基体中分散的方法容易破坏填料形貌结构、降低填料性能以及操作复杂、环保性有限的问题，本发明提供了一种利用聚合物发泡材料孔壁拉伸作用促进纳米填料分散的方法，以在不破坏填纳米料形貌、不降低纳米填料性能以及简化操作和增加环保性的基础上促进纳米填料在高分子基体中的分散，有效改善高分子纳米复合材料的性能。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用聚合物发泡材料孔壁拉伸作用促进纳米填料分散的方法，包括以下步骤：