一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法技术

一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法，属于物理场辅助二维碳材料剥离与表面原位修饰技术领域，先对可膨胀石墨进行微波处理，得到微波膨胀石墨；再将微波膨胀石墨与聚氯乙烯开炼共混、压片，得PVC复合的碳材料；然后再将PVC复合的碳材料进行微波辐照。本发明专利技术利用疏松多孔的膨胀石墨这类碳材料的吸波性能，在微波辅助作用下，实现无机材料表面的原位修饰，被修饰的碳材料具有良好的与高分子的相容性等特点，解决了无机‑有机材料复合过程的界面相容性等问题，从而实现了碳材料与高分子的良好复合，拓展了其应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法
本专利技术属于物理场辅助二维碳材料剥离与表面原位修饰
，适用于有机-无机纳米复合与高分子材料复合功能化技术开发。
技术介绍
纳米碳材料作为当前材料科学中应用最广、最具有生命力的材料之一，包括富勒烯，碳纳米管，石墨烯等，同时也作为非常重要的一种功能填料。对于填料来说，其在高分子中分散性要求极高，即纳米碳材料与高分子的界面相容性要极好。对于PVC这类通用低成本的高分子材料，虽用途广泛，但在专业领域的应用其性能还显不足，据报道通过热处理制备出PVC/石墨烯导电复合材料，发现其机械强度及热稳定性都有很大提高；在制备此类复合材料时虽然采用化学溶液法能够使石墨烯具有良好分散性，但是由于存在溶剂回收和污染等问题，难以进行大规模化工业生产，并且石墨烯的价格昂贵，工业化成本较高。然而作为一种新型的碳素材料--膨胀石墨，也具有与石墨烯类似的优异性能，包括耐高温、耐腐蚀、耐辐射、导电、自润滑等特点，更具备了吸附性、轻质柔软、可压缩、回弹等特性。在作为纳米功能填料时利用膨胀石墨在比石墨烯填量高，但总体制备成本下降的条件下，得到膨胀石墨改性的PVC。
技术实现思路
本专利技术目的在于为提高无机纳米碳材料与高分子基体之间的相容性而提出一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法。本专利技术包括以下步骤：1）以可膨胀石墨为原料，经微波处理，得到微波膨胀石墨；利用微波热效应所得到膨胀石墨粉末在电镜下微观结构呈多孔卷曲的蠕虫状，利于后续加工。2）将微波膨胀石墨与聚氯乙烯开炼共混、压片，得PVC复合的碳材料；达到膨胀石墨与高分子的均匀混合。3）将PVC复合的碳材料进行微波辐照。在微波辐照下，PVC复合的碳材料强烈吸收微波能量，转变为热能，促进其附近区域的高分子被链破坏，膨胀石墨表面部分碳化、粘流以及铺展，从而在石墨片层表面形成聚氯乙烯修饰层。本专利技术实现了在微波作用下，利用碳材料的表面原位修饰，提高了无机材料与高分子界面的相容性，以达到无机碳材料与高分子高度相容，从而实现了改善有机-无机纳米复合界面相容性的目的，经过修饰的无机碳材料可与有机高分子高度相容，此种无机纳米颗粒表面原位修饰的方法对其它无机-有机复合材料制备中界面调控与界面相容性改善具有积极的借鉴作用。本专利技术利用聚氯乙烯碳化分解过程对微波膨胀石墨进一步剥离，改善二维碳填料结构特性。本专利技术利用微波辅助制备膨胀石墨是基于可膨胀石墨的导电特性，利用磁控管产生的磁波，在其内部产生很强的涡电流，进而使可膨胀石墨由内至外迅速升温，因此微波膨胀比传统高温膨化法加热时间快，同时易于操作，受热均匀，所得产物包含形状类似蠕虫，内部含有大量网状微孔结构的膨胀石墨和部分纳米石墨片，提高在基体中的分散性。为了建立一种提升纳米石墨片含量进而提升在高分子基体中的分散性，通过诱发膨胀石墨，在此基础上，表面修饰与进一步剥离的可能性，设计了工艺角度上简单、可控的微波辅助膨胀法。本专利技术采用以上表面物理修饰方法，在微波辐照下，利用碳材料自身吸收微波能转化成的热能，促使纳米材料表面附近区域的高分子链发生断键重整与活化，从而实现对碳材料的表面修饰，提高无机材料与高分子基体之间的相容性。为了利用碳材料自身的吸波特性实现其表面的原位修饰，本专利技术关键在于：1）拓宽二维碳材料的应用范围及应用领域；2）改善无机碳材料粉体与高分子的相容性。这些目标的实现有赖于无机碳材料的表面修饰。本专利技术特点具体体现如下：1、利用碳材料的吸波性能，在微波场的作用下，在碳材料附近形成热区域，以实现碳材料颗粒表面高分子链原位修饰，极大地改善了无机纳米颗粒与高分子界面的相容性。2、本专利技术所提供的方法对其他无机-有机复合材料制备中界面调控与界面相容性改善也有积极的借鉴作用。3、本专利技术所采用的设备简单，操作方便，成本低廉，具有极强的实用性与应用价值。总之，本专利技术利用疏松多孔的膨胀石墨这类碳材料的吸波性能，在微波辅助作用下，实现无机材料表面的原位修饰，被修饰的碳材料具有良好的与高分子的相容性等特点，解决了无机-有机材料复合过程的界面相容性等问题，从而实现了碳材料与高分子的良好复合，拓展了其应用领域。进一步地，本专利技术所述可膨胀石墨的含碳质量≥99.5%。采用含碳质量≥99.5%的可膨胀石墨是保证在微波作用下得到纯度高的膨胀石墨片，避免杂质存在改变微波响应效果，有利于进一步微波辅助聚氯乙烯对其表面修饰工艺的稳定性。所述步骤1）中，所述微波处理的条件为：微波频率为2.45GHz，辐照功率6000W，控制辐照温度400～600℃，在保温时间30～120s。采用微波处理工艺设计出发点是基于综合利用微波激励与微波热效应实现对可膨胀石墨的剥离，得到含有层数较少的石墨片或纳米石墨片的微波膨胀石墨。考虑到所采用聚氯乙烯材料在共混过程中可有效地分散微波膨胀石墨，保证在后续微波辅助表面修饰中的均匀性，本专利技术所述步骤2）中，所述微波膨胀石墨与聚氯乙烯的共混体积比为2～4∶1。所述聚氯乙烯为硬质聚氯乙烯或软质聚氯乙烯。硬质或软质聚氯乙烯由于含氯量不同，导致分子间作用力不同引起软硬度差异。选择硬质或软质聚氯乙烯表明该微波辅助修饰方法的通用性。另外，在聚氯乙烯谈话过程中对应于不同含氯量造成局部氯化氢的浓度差异，也会在表面修饰中发挥出不同的功效，这提供膨胀石墨表面修饰与改性更多的调控手段。为了达到微波膨胀石墨与聚氯乙烯均匀分散、避免聚氯乙烯热降解，在所述步骤2）中，所述开炼共混的温度为130℃，博通数为5～10。所述步骤3）中，所述微波辐照的条件为：微波频率2.45GHz，微波辐照功率200～800W，辐照时间1～5min。所提供的微波辐射源利于均匀辐照加热的进行，可利用膨胀石墨吸收微波的性能，提高混合物对微波的吸收能力，使之在局部能迅速升温，以使得附近区域的高分子断裂，实现碳材料的表面修饰。至于辐照时间，则可根据膨胀石墨含量及聚氯乙烯品种不同有所差异，应低于聚氯乙烯起燃时间。附图说明图1为例1步骤1处理后膨胀石墨的SEM照片。图2为例1步骤3处理后样品的SEM照片。图3为例2步骤1处理后膨胀石墨的SEM照片。图4为例2步骤3处理后样品的SEM照片。图5为例3步骤1处理后膨胀石墨的SEM照片。图6为例3步骤3处理后样品的SEM照片。图7为例4步骤1处理后膨胀石墨的SEM照片。图8为例4步骤3处理后样品的SEM照片。具体实施方式实施例1：1、将原料含碳量大于99.5%的可膨胀石墨置于石英反应器并放入专用微波混合加热腔，采用微波频率为2.45GHz，辐照功率6000W，辐照温度500℃，辐照时间30s后，取出即得到膨胀石墨（EG），如图1所示。由图1的SEM照片可见：可膨胀石墨经过微波处理得到了膨胀。2、以硬质PVC和EG体积比例为1∶2混合后，在开炼机上以130℃共混、压片，博通数为10，得到片状PVC复合的碳材料样品。3、取所得片状PVC复合的碳材料样品适量，均匀平铺于石英反应容器中放入工业微波炉中，采用频率为2.45GHz，辐照功率600W，辐照时间30s，在微波辐照下，强烈吸收微波能量，转变为热能，促进其附近区域的高分子被链破坏，膨胀石墨表面部分碳化、粘流以及铺展，从而在石墨片层表面形成聚氯乙烯修饰层。从经过步骤3处理后样品的SEM照片如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法，其特征在于包括以下步骤：1）以可膨胀石墨为原料，经微波处理，得到微波膨胀石墨；2）将微波膨胀石墨与聚氯乙烯开炼共混、压片，得PVC复合的碳材料；3）将PVC复合的碳材料进行微波辐照。

【技术特征摘要】
1.一种微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法，其特征在于包括以下步骤：1）以可膨胀石墨为原料，经微波处理，得到微波膨胀石墨；2）将微波膨胀石墨与聚氯乙烯开炼共混、压片，得PVC复合的碳材料；3）将PVC复合的碳材料进行微波辐照。2.根据权利要求1所述微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法，其特征在于所述可膨胀石墨的含碳质量≥99.5%。3.根据权利要求2所述微波辅助膨胀石墨表面聚氯乙烯原位修饰的方法，其特征在于所述步骤1）中，所述微波处理的条件为：微波频率为2.45GHz，辐照功率6000W，控制辐照温度400～600℃，在保温时间30～120s。4.根据权利要求1或2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊亮，金奇梅，张冲，吕景清，杨敏，季茸，吕菲，张明，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32