极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了采用表面化学反应改性技术对碳纳米管表面进行改性后通过熔融共混法制备一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，该材料由以下重量份的原料组成：偶联剂0.01-0.10重量份，碳纳米管0.01-0.05重量份，极低密度聚乙烯99.90-99.95重量份。其制备方法是(1)先将碳纳米管经高锰酸钾和硫酸进行纯化处理；(2)再将纯化后的碳纳米管和偶联剂加到有机溶剂中，超声处理，得到官能化碳纳米管；(3)经过纯化和官能化处理的碳纳米管与极低密度聚乙烯进行熔融共混，制备出乙烯纳米复合材料。本发明专利技术可提高碳纳米管的分散能力、表面活性和与基体材料之间的相容性，从而同时起到增强增韧以及提高其耐热性的效果。以及提高其耐热性的效果。

【技术实现步骤摘要】
极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料及其制备方法，具体涉及一种采用碳纳米管表面改性技术以及熔融共混技术制备的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料及其制备方法。
技术背景
[0002]日本学家Iijima在1991年发现了碳纳米管，碳纳米管顾名思义是石墨片层绕中心轴卷曲而成的管状物具有一定的螺旋度，管子两端封口一般是由五边形的半球面网格。碳纳米管中的每个碳原子与相邻的三个碳原子相连，构成六角形网格结构，但碳纳米管中六角形网格结构一般会产生一定的弯曲，形成空间拓扑结构，所以它是以sp2杂化为主，也含有sp3杂化。碳纳米管一般分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管的长度可达几十微米，直径在零点几纳米到几纳米之间,多壁碳纳米管长度可达几毫米，直径在几纳米到几十纳米之间,石墨的层间距保持固定不变一般约为0.34nm。碳纳米管是由石墨片层绕中心轴卷曲而成,卷曲方式不同所得的结构不同其性质会不同。碳纳米管卷曲时石墨片层中纳米管轴向与保持不变的六边形网格之间可能会出现夹角即螺旋角(如式1)。
[0003][0004]碳纳米管随着直径与螺旋角的不同既可表现出半导体又可表现出金属性: 当(n-m)为3的整数倍时,其呈现出金属性,反之呈现半导体性，因此碳纳米管因其独特的结构而具有优异的性能。它具有理想的弹性和极高的机械强度，碳纳米管不仅可以承受巨大的轴向张力，而且还可以承受巨大的径向形变，抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，弯曲强度可达14.2GPa，弹性模量可达1.8TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，密度却只有钢的1/6。另外,碳纳米管具有很高的热稳定性和化学稳定性、优异的热传导能力、超导性能和光学性能等也引起了人们极大的关注其应用已涉复合材料、纳米电子器件、催化剂载体、电极材料、贮氢材料等多方面。碳纳米管能通过体积变化来呈现其弹性，故能承受大于
40％的张力应变，而不会呈现塑性变形、脆性行为或键断裂，因此在复合材料中应用时，能利用碳纳米管来极大地吸收能量，增加强度、韧性这些优良的力学使碳纳米管成为复合材料领域最有前景的研究热点，碳纳米管复合材料的研究已成为一个极为重要的领域，受到了广泛的关注和研究。然而，由于碳纳米管易缠绕或聚集成束，与其他纳米粒子相比碳纳米管表面是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂中的分散度低，很难在聚合物中均匀分散，这极大地制约了其应用性能的研究。目前，国内外对碳纳米管的表面改性主要包含表面化学反应改性、聚合物包覆改性、表面活性剂改性等方法。表面化学反应改性是指在碳纳米管表面引入一些适宜的基团，使其在碳纳米管表面发生化学反应，在表面和聚合物之间产生化学键，通过这种方法可以提高分散度、改善碳纳米管的溶解度。现对碳纳米管的表面进行改性已成为聚合物/碳纳米管复合材料的研究热点。聚乙烯(PE)五大合成树脂之一，是我国合成树脂中产量最大、进口量最多的树脂，聚乙烯主要分为线性低密度聚乙烯 (LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、极低密度聚乙烯(VLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)四大类。具有无臭、无毒、易加工、质轻、耐化学腐蚀、电绝缘性好、价格低廉等优点，从而广泛应用于家电、建筑、化工、包装、轻工等领域，成为我们日常生活中不能缺少的材料。
[0005]极低密度聚乙烯树脂(VLDPE)为第四代聚乙烯，在聚合过程中添加了多于常规量的α烯烃共聚单体(如丁烯、己烯、辛烯等)，密度范围拓宽至0.880～0.915g/cm3，极低密度聚乙烯具有高柔韧性、较宽的温度使用范围、优良的抗穿刺性、抗撕裂性和耐环境应力开裂以及无毒无味等优良特性，在薄膜、医用软管、发泡、电线电缆、注塑和吹塑、医用和食品包装等领域得到广泛应用。尽管极低密度聚乙烯包含很多优点，但它强度和刚性较差、耐热性差以及在应力下严重蠕变，限制了它进入某些重要的市场。为了扩大极低密度聚乙烯在应用中的范围，必须对其进行改性，由于碳纳米管具有超强的力学性能和优良的热稳定性，极低密度聚乙烯和碳纳米管进行熔融共混，可以提高聚乙烯的热稳定性、刚性以及韧性。
[0006]由于碳纳米管表面相对“惰性”，很难在聚合物中分散，需对其表面进行改性，如何将碳纳米管均匀分散到极低密度聚乙烯基体中，以充分发挥碳纳米管超强的力学性能和优良的热稳定性，从而制备出一种高热稳定性、高韧性、高刚性的极低密度聚乙烯纳米复合材料，成为本领域函待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的上述不足，先将碳纳米管进行表面改性，然后通过将表面改性后的碳纳米管与极低密度聚乙烯复合，制得一种具有热性能、刚性以及韧性显著改善的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料。
[0008]首先，本专利技术提供了一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，由以下组分按重量比组成:
[0009]极低密度聚乙烯
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99.90-99.95重量份；
[0010]碳纳米管
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0.01-0.10重量份；
[0011]偶联剂
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0.01-0.05重量份。
[0012]优选的，本专利技术提供的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，由以下组分按重量比组成:
[0013]极低密度聚乙烯
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99.90重量份，
[0014]碳纳米管
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0.01-0.05重量份；
[0015]偶联剂
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0.01 0.05重量份。
[0016]优选的，本专利技术提供的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料中，所述极低密度聚乙烯的密度为0.880～0.915g/cm3。
[0017]优选的，本专利技术提供的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料中，所述碳纳米管的外径为20-30nm，长度为10-30μm，密度为2.1g/m3，表面积大于110m2/g。
[0018]本专利技术还提供了一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其是上述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019]步骤(1)：将碳纳米管加入到质量比为1:1的高锰酸钾和浓硫酸的混合物中，并用超声波在室温下处理2-3h；然后将混合物在120-130℃下回流 4h，过滤、洗涤至中性，在真空条件下烘干至恒重，即得到纯化的碳纳米管；
[0020]步骤(2)：将偶联剂和步骤(1)中制得的纯化的碳纳米管加到乙醇中，超声处理1-2h，然后在70-80℃下回流2h以除去乙醇，即得到所述表面改性碳纳米管，其中所述偶联剂与步骤(1)中碳纳米管的质量比为1
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10:1-5；
[0021]步骤(3)：将极低密度聚乙烯和步骤(2)中制得的表面改性碳纳米管在高速混合机中混合3-5min；在双螺杆挤出机中进行挤出造粒，转速为55
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550rpm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，其特征在于，由以下组分按重量比组成:极低密度聚乙烯
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99.90-99.95重量份；碳纳米管
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0.01-0.10重量份；偶联剂
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0.01-0.05重量份。2.根据权利要求1所述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，其特征在于，由以下组分按重量比组成:极低密度聚乙烯
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99.90重量份，碳纳米管
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0.01-0.05重量份；偶联剂
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0.01-0.05重量份。3.根据权利要求1或2所述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，其特征在于，所述极低密度聚乙烯的熔体流动速率为0.8-1.0g/10min，密度为0.880～0.915g/cm3。4.根据权利要求1或2所述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。5.根据权利要求1或2所述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的外径为20-30nm，长度为10-30μm，密度为2.1-2.5g/m 3
，表面积大于110m2/g。6.一种极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其是如权利要求1所述的极低密度聚乙烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：将碳纳米管加入到质量比为1:1的高锰酸钾和浓硫酸的混合物中，并用超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴双，姜艳峰，李瑞，牛娜，王玉茹，葛腾杰，高宇新，张明强，张瑞，杨国兴，王斯晗，宋磊，安彦杰，张德英，王世华，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：