一种有机无机复合材料性能提高的方法技术

本发明专利技术涉及一种有机无机复合材料性能提高的方法，将复合材料中微纳米颗粒表面覆盖的有机聚合物选择性刻蚀去除，使负载在表面的无机微纳米颗粒部分暴露于聚合物及纤维表面，并加深表面粗糙度，使无机微纳米颗粒的功能性得以真正发挥。同时，由于等离子体渗透性的提高，纤维织物内部也能够得到充分处理刻蚀，提高了微纳米颗粒的暴露比例，进一步提高复合材料性能。纤维织物的高比表面积及内外充分暴露的无机微纳米颗粒，可以充分赋予复合材料大幅提高的功能特性。本发明专利技术基于大规模工业化共混制备的无机有机复合材料及产品，共混制备及等离子体刻蚀过程环保高效，工艺过程成熟易于实施。

【技术实现步骤摘要】
一种有机无机复合材料性能提高的方法
本专利技术属于复合材料的制备领域，特别涉及有机无机复合材料性能提高的方法。
技术介绍
无机微纳米颗粒如TiO2、Si，SiO2、MnO2、ZnO、Al2O3、CaCO3、Fe2O3,Fe3O4,BaSO4,WO3等具有各种催化、化学、光、力、热、声、电、磁等特殊功能特性，微纳米颗粒组成单元尺寸小、比表面积大、表面活性高，将其与其他介质材料共混，少量添加就会对负载介质材料的性能造成显著的影响。聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚四氟乙烯PVDF、聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、再生纤维素、聚苯乙烯PS等高分子或者聚合物纤维聚集体、织物材料生产成本低廉、综合性能优良，已经被广泛应用于信息产业、生物医学、纺织加工、机械设备、食品包装、光学材料、交通、健康、环境、信息等广阔的领域。将无机微纳米颗粒与这些聚合物共混复合，可制备各类功能纤维或者织物。如TiO2微纳米颗粒共混入聚酯PET，控制TiO2的比例并纺丝成型，可以获得全消光聚酯PET、半消光聚酯PET等，也可以赋予其紫外屏蔽等特性。它利用了无机微纳米颗粒的功能性、聚合物的易加工性，使不易成型的无机微纳米颗粒通过共混加工，形成一维纤维、二维织物等复合材料，同时具有高比表面积、双亲、双疏、高韧性、高强度、导电性、阻燃性、光催化、传感、光学、过滤、分离或者磁性等附加特殊功能，同时，由于负载在纤维聚集体表面，能够回收利用，扩大了聚合物复合材料的应用领域，是目前功能纤维和织物的常规工业制备方法。>无机微纳米颗粒聚合物复合材料共混加工是一种物理过程，优势在于其环保特性和简便易行，依靠聚合物本体的粘结作用将微纳米颗粒混合进入聚合物或者制品表层，不需要另外添加粘结剂等助剂。但共混方法的主要问题在于，共混过程中，无机微纳米颗粒表面不可避免覆盖不同厚度的有机聚合物层，而这将会大大降低无机纳米颗粒功能性的发挥，因为微纳米颗粒的一些功能必须依靠与外界反应物的直接接触才能发挥出来，被聚合物覆盖后，这些功能体现不出来。溶胶凝胶法、化学气相沉积法或者等离子体化学气相沉积法，在纤维聚集物材料的表面通过化学反应，形成TiO2、SiO2等无机微纳米颗粒，赋予纤维聚集体表面各种微纳米形貌结构，以及亲水、催化、杀菌、防臭、抗紫外和自清洁等功能。CN101575798A公开了等离子体处理纳米溶胶凯夫拉纤维改性的方法，无机纳米颗粒与含有机溶剂或大分子纳米颗粒混合，经超声波震荡反应配成溶胶溶液，喷涂或者浸轧在凯夫拉纤维表面，一定温度下烘干并收集有机溶剂，再通过等离子体处理，降低了凯夫拉纤维表面的水接触角。但溶胶凝胶法存在一定温度下有机溶剂的二次产生和收集问题，同时，对微纳米直径的纤维紧密聚集形成的织物，一般的等离子体由于德拜长度低，难以渗透进入聚集体内部，处理不充分。目前的专利文章关注到等离子体处理在织物表面纤维导入极性基团或者粗糙化以提高其亲水性，未见如何提高等离子体在织物内部渗透性、从而大比例充分暴露无机微纳米颗粒和提高复合材料功能性之间关系的报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种有机无机复合材料性能提高的方法，提高对无机微纳米颗粒纤维聚集体内部处理的充分性，以及对纤维聚合物表面无机微纳米颗粒暴露的充分性，提高有机无机纤维聚集体的功能特性。克服现有技术对纤维聚集体内部处理和对无机纳米颗粒暴露不充分问题，去除繁杂工艺过程，方法简单、环保、有效，适用面广。本专利技术的一种有机无机复合材料功能提高的方法，包括：基于各种共混成型方法加工获得的有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料(如纤维织物、薄膜、板材等)，根据有机聚合物和无机物对等离子体气相各类反应性粒子的反应刻蚀特性差异，进行高渗透性的等离子体选择性刻蚀，使有机无机纤维聚集体内部及外面纤维都得到充分选择性刻蚀处理，同时无机微纳米颗粒充分暴露于纤维表面。上述制备方法的优选方式如下：优选地，所述无机微纳米颗粒的平均粒径为5.0nm-1.5μm，或平均粒径为5.0nm-1.5μm，长径比300：1。所述有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料中无机微纳米颗粒的质量百分含量为0.2％～3％。优选地，所述无机微纳米颗粒为TiO2、Si、SiO2、MnO2、ZnO、Al2O3、CaCO3、Fe2O3、Fe3O4、BaSO4、WO3等微纳米颗粒中的一种或几种。优选地，所述无机微纳米颗粒为TiO2、Si、SiO2、MnO2、ZnO、Al2O3、CaCO3、Fe2O3、Fe3O4、BaSO4、WO3微纳米颗粒的形状为各种几何形状。优选地，所述聚合物为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚四氟乙烯PVDF、聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、再生纤维素、聚苯乙烯PS中的一种或几种。优选地，所述成型方式为熔融纺丝、流沿、吹塑成膜、静电纺丝、熔喷中的一种或几种。优选地，所述有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料为薄膜或板材或纤维聚集体；其中所述纤维聚集体为纤维、织物、无纺布、编织物中的一种。优选地，所述等离子体选择性刻蚀具体为：复合材料为薄膜或板材，直接进行选择性等离子体刻蚀；复合材料为纤维聚集体，进行渗透性等离子体刻蚀。所述选择性等离子体刻蚀具体为：等离子体电源频率1MHz～20MHz，气氛为Ar、O2、N2、H2中的一种或几种，气压1～1×105Pa，功率100～1000W，薄膜或板材通过平行板等离子体放电区域，电极间距3mm～2cm，电极上覆盖有厚度0.1～1mm的绝缘介质，刻蚀时间0.2～10min；所述选择性等离子体的上电极为平板电极，下电极可为平板电极或如渗透性等离子体所用的平行放置的两组栅状平板。所述渗透性等离子体刻蚀具体为：渗透性等离子体的下电极为两组栅状电极，间隔平行排列，栅状电极宽度1mm～10mm,栅状电极间距1mm～5mm，电极上覆盖有厚度0.1～0.5mm的绝缘介质，气氛为Ar、O2、N2、H2中的一种或几种，气压稳定为1～1×105Pa后，在上平板电极和某一组下栅状电极之间施加1MHz～20MHz射频源，功率100～1000W，利用脉冲开关调制射频等离子体，使射频等离子体处于“开”、“关”之间，脉冲开关的频率1～100kHz，宽度1us～100us，占空比1％～99％。在脉冲射频“关”的间隙，将正或负高压脉冲施加于另一组栅状电极上，形成共面增强渗透性放电，高压脉冲频率1～100kHz，电压5000～15000V或-5000～-15000V，脉冲宽度1ns～100us，占空比1％～99％，纤维聚集体卷对卷通过等离子放电区域，刻蚀时间0.2～10min。所述每组栅状电极中的电极数量至少为3-5个。所述气氛均为，Ar/O2体积比为1:(0.1～0.5)、Ar/N2体积比为1:(0.1～0.6)、Ar/N2/O2的体积比为1：(0.1～0.6)：(0.1～0.8)或Ar/N2/H2的体积比均为1：(0.1～0.6)：(0.1～0.8)，总流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机无机复合材料功能提高的方法，包括：/n将无机微纳米颗粒和聚合物共混，成型，得到有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料，然后进行等离子体选择性刻蚀，使无机微纳米颗粒暴露于材料表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种有机无机复合材料功能提高的方法，包括：
将无机微纳米颗粒和聚合物共混，成型，得到有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料，然后进行等离子体选择性刻蚀，使无机微纳米颗粒暴露于材料表面。


2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述无机微纳米颗粒的平均粒径为5.0nm-1.5μm；所述有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料中无机微纳米颗粒的质量百分含量为0.2％～3％。


3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述无机微纳米颗粒为TiO2、Si、SiO2、MnO2、ZnO、Al2O3、CaCO3、Fe2O3、Fe3O4、BaSO4、WO3微纳米颗粒中的一种或几种；所述无机微纳米颗粒形状为各种几何形状。


4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚四氟乙烯PVDF、聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、再生纤维素、聚苯乙烯PS中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述成型方式为熔融纺丝、流沿、吹塑成膜、静电纺丝、熔喷中的一种；所述有机聚合物和无机微纳米颗粒复合材料为薄膜或板材或纤维聚集体；其中所述纤维聚集体为纤维、织物、无纺布、编织物中的一种。


6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述等离子体选择性刻蚀具体为：复合材料为薄膜或板材，直接进行选择性等离子体刻蚀；复合材料为纤维聚集体，进行渗透性等离子体刻蚀。


7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述选择性等离子体刻蚀具体为：等离子体电源频率1MHz～20MHz，气氛为Ar、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张菁，尚晓冉，田立轩，徐雨，王超梁，张宇，王天舒，杨宝敬，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31