一种高强度纳米芳纶板的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度纳米芳纶板的制备方法。所述制备方法为，将纳米芳纶分散体通过真空抽滤形成凝胶状态之后，使其表面浸泡涂覆羧甲基纤维素/TEMPO氧化纳米纤维素混合液，随后按照厚度需求将纳米芳纶凝胶逐层粘连在一起，在通过电热板热压完全干燥之后，再使用热压机对其进行热压，最终获得弯折强度、弯曲韧性、拉伸强度、拉伸韧性等力学性能优异的纳米芳纶板。本发明专利技术扩展了纳米芳纶的应用范围，为低密度、高强度板材的发展提供了思路。高强度板材的发展提供了思路。高强度板材的发展提供了思路。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度纳米芳纶板的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种高强度纳米芳纶板的制备方法。

技术介绍

[0002]芳香族聚酰胺纤维，又称芳纶纤维，由聚酰胺类高分子化合物制成，其具有极强的分子间结合力，高强度、高模量、高耐热性、高耐化学性和优异的阻燃性能等特点，被广泛应用于高性能复合材料、防弹材料、电子材料、纺织品等领域。近年来出现了一种通过DMSO/KOH体系制备得到的纳米芳纶纤维，这种纳米芳纶纤维不仅拥有较小的尺寸(直径约为20nm左右)，较大的长径比(一般大于500)，还拥有极高的强度和耐热、耐酸碱能力。
[0003]低密度、高强度的板材在汽车、航空航天、军事、风能发电等领域有广泛的应用前景。目前，常见的轻质高强板材主要有碳纤维板、玻璃纤维板和芳纶纤维板。这些高性能板材主要是将高性能纤维和环氧树脂或酚醛树脂复合而成，其拉伸强度和弯折强度通常都可以达到数百兆帕，已经实现了广泛的应用。然而，这些纤维板都存在一个巨大缺陷，由于内部高性能纤维低伸长率的特性，往往存在较高的脆性，其弯曲应变和拉伸应变通常不超过2.5％，容易产生裂纹发生开裂。
[0004]得益于较高的比表面积和较高的长径比，以纳米芳纶为原料制备的材料有希望获得较高的应变能力和韧性。由于纳米芳纶需要在分散液的状态中成形，其很难直接制备出较高定量和高厚度板材。因此，这就需要借鉴层压板的成形方法，通过粘合剂将一层层纳米芳纶粘合在一起，最终再通过热压成形。然而，由于继承自芳纶纤维特有的化学惰性，一般的粘合剂很难实现较好的效果。并且，对于板材的弯折性能来说，其对于粘合剂的附着力和粘合剂的强度都有着较高的要求。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种高强度纳米芳纶板的制备方法。
[0006]本专利技术提供了一种高强度纳米芳纶板的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将对位芳纶短切纤维分散于二甲基亚砜(DMSO)中，并加入KOH，搅拌一段时间后获得纳米芳纶分散体；
[0008](2)将纳米芳纶分散体加水质子化之后，通过真空抽滤形成水凝胶；
[0009](3)通过TEMPO氧化法制备纳米纤维素，并将其按照比例分散到羧甲基纤维素溶液中获得粘合剂；
[0010](4)将步骤(2)获得的纳米芳纶水凝胶浸入步骤(3)中的粘合剂中，将若干层浸过粘合剂的纳米芳纶水凝胶逐层粘连在一起；
[0011](5)将步骤(4)中粘连在一起的纳米芳纶水凝胶放在电热板上加热干燥后，再对其进行热压处理。
[0012]优选的，步骤(1)所述的纳米芳纶分散体浓度为2
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4mg/L，搅拌时间为5
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7天。
[0013]优选的，步骤(1)中，对位芳纶短切纤维为1质量份，二甲基亚砜为250
‑
500体积份，KOH为1.5
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3.0质量份。
[0014]优选的，步骤(3)的所述的TEMPO氧化制备纳米纤维素的步骤如下：将漂白针叶木浆分散于水中，加入2,2,6,6
‑
四甲基哌啶氮氧化物、溴化钠，搅拌分散均匀；然后加入次氯酸钠溶液进行TEMPO氧化反应，并保持悬浮液pH维持在10
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10.5；反应结束后，将悬浮液通过离心过滤洗涤，直到滤液pH达到中性；将处理好的悬浮液通过微射流均质机细纤化处理，最终获得TEMPO氧化的纳米纤维素。
[0015]进一步优选的，步骤(3)的具体步骤如下：将10g漂白针叶木浆分散于1000mL水中，加入160mg 2,2,6,6
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四甲基哌啶氮氧化物、1g溴化钠，搅拌分散均匀；然后加入次氯酸钠溶液进行TEMPO氧化反应，并保持悬浮液pH维持在10
‑
10.5；反应结束后，将悬浮液通过离心过滤洗涤，直到滤液pH达到中性；将处理好的悬浮液通过微射流均质机细纤化处理，最终获得TEMPO氧化的纳米纤维素。
[0016]进一步优选的，所述的微射流均质机细纤化处理中，均质孔径为87
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400μm，均质压力为69
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172MPa，均质悬浮液浓度为0.2
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1.5％，均质次数为2
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10次。
[0017]进一步优选的，所述的微射流均质机细纤化处理中，最佳均质孔径为200μm，均质压力为138MPa，均质悬浮液浓度为0.8％，均质次数为8次。
[0018]优选的，步骤(3)所述的粘合剂固形物浓度为0.5
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2.0wt％，粘合剂中羧甲基纤维素和TEMPO氧化纳米纤维素的质量比例为10:3
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5:5。
[0019]优选的，步骤(4)所述的纳米芳纶水凝胶浸入粘合剂中，其时间为1
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10min。
[0020]优选的，步骤(5)所述的加热干燥的温度为60
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120℃，时间为12
‑
36h；所述的热压处理的温度为60
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120℃，时间为5
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20min，压力为5
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15MPa。
[0021]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0022](1)本专利技术使用高比表面积和高长径比的纳米芳纶作为板材主体，其自身的纤维网络中，羰基和亚氨基之间的氢键结合强度适中，在主体材料变形过程中可以作为牺牲键存在，在不断地断裂再形成的过程中吸收大量能量并实现材料较高的应变。
[0023](2)对于用于粘合纳米芳纶的粘合剂来说，它需要拥有和纳米芳纶形成较强结合力的能力。本专利技术使用了羧甲基纤维素作为粘合剂主体，其拥有大量的羧甲基。这些羧甲基拥有很高的电负性，可以和纳米芳纶的羰基和亚氨基形成较强的氢键结合。并且，为了提升粘合剂自身的强度，将羧甲基纤维和含有大量羧基的TEMPO氧化纳米纤维素复合制备成粘合剂。这种复合粘合剂在粘合纳米芳纶之后，使TEMPO氧化纳米纤维素在纳米芳纶层之间形成紧密的高强度纳米纤维网络。其中，无定形的羧甲基纤维素作为填充物，用来减少纳米纤维网络的孔隙，从而提升纳米纤维网络的密度，进一步提高其强度。
[0024](3)本专利技术为了提高粘合剂对于纳米芳纶的附着力，在纳米芳纶刚抽滤形成凝胶状态时将其浸入粘合剂中，促使粘合剂可以渗透进纳米芳纶纤维网络中，极大地提高两者之间的结合面积和键合机会，提升纳米芳纶板层之间的附着力。
附图说明
[0025]图1为实施例3制备的纳米芳纶板的实物图。
[0026]图2为实施例1
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4制备的纳米芳纶板的弯曲应力应变曲线。
[0027]图3为实施例3制备的纳米芳纶板的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
[0028]下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0029]本专利技术实施例中使用的对位芳纶短切纤维为美国杜邦公司的Kev本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度纳米芳纶板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将对位芳纶短切纤维分散于二甲基亚砜中，并加入KOH，搅拌一段时间后获得纳米芳纶分散体；(2)将纳米芳纶分散体加水质子化之后，通过真空抽滤形成水凝胶；(3)通过TEMPO氧化法制备纳米纤维素，并将其分散到羧甲基纤维素溶液中获得粘合剂；(4)将步骤(2)获得的纳米芳纶水凝胶浸入步骤(3)中的粘合剂中；将若干层浸过粘合剂的纳米芳纶水凝胶逐层粘连在一起；(5)将步骤(4)中粘连在一起的纳米芳纶水凝胶放在电热板上加热干燥后，再使用热压机对其进行热压处理。2.根据权利要求1所述高强度纳米芳纶板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的纳米芳纶分散体浓度为2
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4mg/L，搅拌时间为5
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7天。3.根据权利要求1所述高强度纳米芳纶板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，对位芳纶短切纤维为1质量份，二甲基亚砜为250
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500体积份，KOH为1.5
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3.0质量份。4.根据权利要求1所述高强度纳米芳纶板的制备方法，其特征在于：步骤(3)的所述的TEMPO氧化制备纳米纤维素具体步骤如下：将漂白针叶木浆分散于水中，加入2,2,6,6
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四甲基哌啶氮氧化物和溴化钠，搅拌分散均匀；然后加入次氯酸钠溶液进行TEMPO氧化反应，并保持悬浮液pH维持在10
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10.5；反应结束后，将悬浮液通过离心过滤洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾劲松，胡复港，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：