具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。该复合材料包括聚合物基体、空心微球和纳米填料。其中，聚合物基体为“海相”，即连续相；空心微球作为“岛相”，能够在降低复合材料密度的同时，在基体中发挥体积排斥作用，促使纳米填料在较低含量下就能够在基体中形成致密的三维网络，最终实现轻质、隔离结构聚合物纳米复合材料的制备。该复合材料的制备方法为：首先，将纳米填料包覆于空心微球表面，然后将包覆好的空心微球均匀分散于聚合物基体中，最后加工成型。其具有优异的阻燃、导电、导热或电磁屏蔽等功能，可应用于航空航天、交通运输、电子通讯等高端技术领域。

Light polymer nanocomposites with isolated structure and their preparation

【技术实现步骤摘要】
具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料及其制备方法
本专利技术涉及纳米复合材料制备领域，具体涉及一种具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
低填料含量、高性能聚合物复合材料在航空航天、交通运输、电子通讯等高端
具有广泛的应用需求。“隔离结构”聚合物复合材料的构筑思路为低成本、高性能聚合物复合材料的制备提供了一种潜在解决方案。在“隔离结构”聚合物复合材料中，聚合物粒子发挥“排除体积”效应使填料集中分布在聚合物粒子周围而不是随机分布在整个聚合物基体中，因此，能够有效提高填料的利用效率，降低复合材料的逾渗阈值，实现在低填料含量下复合材料的高功能性(Prog.Polym.Sci.,2014,39,1908-1933；ZL201510256234.7；ZL201510489940.6)。传统的“隔离结构”聚合物复合材料的构筑方法有直接模压法、回填法和不相容聚合物共混法。由于这些制备方法的局限性，“隔离结构”聚合物复合材料的应用推广被极大地限制。例如，直接模压法是先制备聚合物/填料核壳粒子，然后将其直接模压成型(Carbon,2017,121,267-273)。该方法成功的关键是在成型温度和压力下，聚合物粒子能够保持高模量或高黏度以避免基体的流动对填料网络的破坏。由此，该方法不仅具有很大的基体选择性和成型局限性，而且由于基体的连续性较差还会导致最终复合材料的力学性能较差(Prog.Polym.Sci.,2014,39,1908-1933)。回填法是先构建三维多孔填料骨架，然后回填聚合物基体成型。低收缩、高强度三维多孔填料骨架的构建是该方法成功的关键。尽管该方法制备的“隔离结构”聚合物纳米复合材料具有最完整均匀的三维填料网络，然而三维多孔填料骨架的构筑不仅需要冷冻干燥水凝胶/分散液法、化学气相沉积法或模板法等复杂低效的制备工艺，而且骨架的多孔性所带来的高收缩和低强度问题难以避免(Nat.Commun.,2012,3,1241)。不相容聚合物共混法是选择合适的聚合物组合和比例，通过精确的调控混合工艺参数、填料表面性质等使填料选择性分布在不相容共混物的一相中/两相界面处(ACSAppl.Mater.Interfaces,2017,9,14358-14370)。虽然该方法可适用于常规的聚合物加工工艺(混炼、挤出、注射等)，但是由于填料的选择分布受众多动力学和热力学因素的复杂影响，该方法的成功案例也屈指可数。因此，发展一种简单的、可适用于绝大多数聚合物基体和传统聚合物加工工艺的隔离结构聚合物复合材料制备新方法对构建低填料含量、高性能聚合物纳米复合材料具有重要的现实意义。专利技术人课题组前期制备了一种具有隔离结构的硅橡胶纳米复合材料(公开号为CN110003657A)，硅橡胶微畴和分布在硅橡胶微畴周围的纳米填料，硅橡胶微畴发挥体积排斥作用将纳米填料隔离成三维网状结构，纳米填料表面具有能够与硅橡胶微畴表面相互作用的基团。该复合材料虽然具备良好的性能，但是硅橡胶微球的制备产率低，工艺复杂，不适合工业化推广，另外，复合材料难以达到轻质的要求。
技术实现思路
鉴于上述情况，本专利技术的目的是提供一种具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料及其制备方法，该复合材料能够在低填料含量下实现高功能性。本专利技术的基本原理是将表面负载纳米填料的空心微球，添加到聚合物基体中，通过空心微球的体积排斥作用赋予复合材料隔离结构特征，通过空心微球的低密度赋予复合材料轻质特征。另外，通过纳米填料负载技术，可提高空心微球的密度从而降低空心微球的漂浮特性，提高空心微球在添加过程的易操作性。本专利技术所提供的具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料，包括聚合物基体、空心微球和纳米填料，纳米填料表面负载的基团通过与空心微球表面负载的基团相互作用，均匀分布在空心微球表面，构成空心微球@纳米填料核壳粒子，空心微球@纳米填料核壳粒子均匀分布在聚合物基体中。其中，聚合物基体为“海相”，即连续相；空心微球作为“岛相”，能够在降低复合材料密度的同时，在基体中发挥体积排斥作用，促使纳米填料在较低含量下在基体中形成致密的三维网络。所述空心微球的尺寸为0.1μm～100μm，质量分数为1wt％～30wt％；所述纳米填料的质量分数为0.1wt％～10wt％。本专利技术所提供的具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)纳米填料的表面改性：通过物理或者化学方法对纳米填料进行表面改性，在纳米填料表面引入能够与空心微球表面的基团有强相互作用的基团，然后，分散在水中得到纳米填料水分散液。2)空心微球的表面改性：通过物理或者化学方法对空心微球进行表面改性，在空心微球表面引入能够与纳米填料表面的基团有强相互作用的基团，分散在水中得到空心微球水分散液。3)空心微球@纳米填料核壳粒子的制备：根据预制备的聚合物纳米复合材料的组成，将一定体积的空心微球分散液和纳米填料分散液混合后，经过滤或离心分离后、干燥得到空心微球@纳米填料核壳粒子。4)具有隔离结构的轻质纳米复合材料的制备：将空心微球@纳米填料核壳粒子均匀地分散在聚合物基体中，然后将混合物加工成型，制得具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料。上述制备方法中，步骤(1)中所述纳米填料选自0维、1维和2维纳米填料中的至少一种，具体为二氧化硅、炭黑、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、金属粒子、金属化合物、硼酸、硼酸盐、硼砂、埃洛石纳米管、羟基磷灰石、层数≤20的黏土、层数≤20的石墨、层数≤20的氮化硼、层数≤20的黑磷及它们的衍生物中的至少一种。步骤(2)中所述空心微球选自玻璃空心微球、碳空心微球和聚合物空心微球中的至少一种。所述具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料能够作为阻燃、导电、导热或电磁屏蔽功能材料使用，可应用于航空航天、交通运输、电子通讯等高端
与现有技术相比，本专利技术所制备得到的聚合物纳米复合材料，纳米填料被空心微球隔离排挤在空心微球之间的有限空间内呈三维密集分布，能够显著提高纳米填料的利用效率，因此，为了得到相同性能的聚合物纳米复合材料，其纳米填料的使用量更低。与传统的随机结构聚合物纳米复合材料相比，本专利技术的隔离结构聚合物纳米复合材料在轻质、阻燃、导电、导热或电磁屏蔽等功能性方面表现出了明显的优势。另外，本专利技术的隔离结构聚合物纳米复合材料的制备方法，较之传统方法，具有工艺简单、制备效率高、可适用于绝大多数聚合物基体和传统聚合物加工工艺等优势，适合工业化推广。附图说明图1是实施例1中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)空心微球@石墨烯核壳粒子在500倍放大倍数下的扫描电镜照片。图2是实施例1中PMMA空心微球@石墨烯核壳粒子在3000倍放大倍数下的扫描电镜照片。图3是实施例1中PMMA空心微球@石墨烯核壳粒子在10000倍放大倍数下的扫描电镜照片。图4是实施例2中具有隔离结构的轻质聚苯乙烯/黑磷纳米片纳米复合材料的阻燃性能测试照片。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施例来进一步详细说明本专利技术。应理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料，其特征在于，包括聚合物基体、空心微球和纳米填料，纳米填料表面负载的基团通过与空心微球表面负载的基团相互作用，均匀分布在空心微球表面，构成空心微球@纳米填料核壳粒子，空心微球@纳米填料核壳粒子均匀分布在聚合物基体中。/n

【技术特征摘要】
1.具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料，其特征在于，包括聚合物基体、空心微球和纳米填料，纳米填料表面负载的基团通过与空心微球表面负载的基团相互作用，均匀分布在空心微球表面，构成空心微球@纳米填料核壳粒子，空心微球@纳米填料核壳粒子均匀分布在聚合物基体中。


2.根据权利要求1所述的具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料，其特征在于，所述空心微球的尺寸为0.1μm～100μm，质量分数为1wt％～30wt％；所述纳米填料的质量分数为0.1wt％～10wt％。


3.一种权利要求1所述的具有隔离结构的轻质聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)纳米填料的表面改性：通过物理或者化学方法对纳米填料进行表面改性，在纳米填料表面引入能够与空心微球表面的基团有强相互作用的基团，然后分散在水中得到纳米填料水分散液；
(2)空心微球的表面改性：通过物理或者化学方法对空心微球进行表面改性，在空心微球表面引入能够与纳米填料表面的基团有强相互作用的基团，然后分散在水中得到空心微球水分散液；
(3)空心微球@纳米填料核壳粒子的制备：根据欲制备的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琳，赵帅，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37