一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法
2023-05-11 10:39:51 1
專利名稱：一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於材料技術領域，具體涉及一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法。
背景技術：
碳納米管是1991年日本Iijima (Nature, 1991, 354:56-58)在製取C6o的實驗中發現的，管 徑大小為納米級。其管壁結構類似石墨，導電性好，比表面積大，具有優異的力學、電學， 熱學性能。更重要的一點是，碳納米管的分子結構與聚合物鏈結構相似，長徑比高達100-1000， 具有極好的柔韌性，與聚合物具有良好的相容性。因此，如果能將碳納米管均勻地添加到聚 合物基體中構成複合材料，可以極大地改善其性能。
聚氨酯材料是一類以多異氰酸酯與多元醇反應製得的具有獨特加工性能的高聚物，它以 其優良的性能而廣泛應用於機電、船舶、航空、車輛、土木建築、輕工、紡織等部門。但其 強度不高，抗靜電等性能差，從而限制其進一步的應用。因此，製備聚氨酯/碳納米管複合材 料可以將兩種材料的性能結合起來，從而可使其具有更為廣泛的用途。
目前，已有製備聚氨酯/碳納米管複合材料的報導。例如，喻光輝等人(工程塑料應用， 2005, 33:11-14)通過原位聚合法製備了聚氨酯/碳納米管複合材料，韓國Nanda Gopal Sahoo 等人(Composites Science and Technology, 2007， 67:1920-1929)通過溶液共混法製備了聚氨酯 /碳納米管複合材料。這些複合材料的力學性能和導電性能都有了一定程度的提高。但在上述 現有技術中，為改善碳納米管在複合材料基體中的均勻分散性，他們都是採用強酸氧化方法 對碳納米管進行表面改性。由於碳納米管本身具有極大的長徑比，很容易纏繞在一起，尤其 是採用溶液共混方法時，溶劑的揮發會使碳納米管產生非常嚴重的團聚，從而使複合材料性 能的改善受到限制。
發明內容
本發明的目的在於提供一種性能優異的聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法。把碳納米 管截斷成具有最佳長徑比，並使其添加有羥基等活性基團，這不但有利於進一步提高碳納米 管在複合材料基體中的均勻分散性及優異性能的發揮，而且能夠克服現有技術中由於碳納米 管本身具有極大的長徑比，很容易纏繞在一起，尤其是在溶劑揮發時使碳納米管產生嚴重的 團聚現象等弊端，製備出性能更加優異的聚氨酯/碳納米管複合材料。本發明提出的一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於將經過強鹼機械 球磨處理過的碳納米管均勻分散在溶劑中，將聚氨酯溶解在含有碳納米管的溶劑中，攪拌混 合均勻；最後將混合溶液中的溶劑除去製成聚氨酯/碳納米管複合材料。
所述的對碳納米管的強鹼機械球磨採用溼磨方式，球磨時間控制在3-40小時，選用的強 鹼為KOH,添加劑為乙醇進行溼磨。
所述的溶劑選自甲苯、丙酮、二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺或N-甲基吡咯烷酮。 所述的複合材料中聚氨酯的含量佔80-99.5wt%，碳納米管的含量佔20-0.5wt%。 所述的聚氨酯為多元醇、異氰酸酯和擴鏈劑形成的能夠溶解於有機溶劑的聚氨酯，多元 醇選自聚醚多元醇或聚酯多元醇，異氰酸酯選自己二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、4， 4， -二
苯基甲烷二異氰酸酯或異氰酸酯的其他衍生物，擴鏈劑選自C2-C6的二醇或二胺。
本發明與現有製備方法相比，其優點是碳納米管在聚合物基體中分散均勻，製備的聚 氨酯/碳納米管複合材料的力學性能及導電性能有明顯的提高。本發明複合材料採用溶液攪拌 法製備，工藝簡單，操作方便適用於大規模工業化生產。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步說明本發明，但本實施例並不用於限制本發明，凡是採用本 發明的相似方法及其相似變化，均應列入本發明的保護範圍。
實施例1:聚氨酯/碳納米管複合材料1的製備(碳納米管經強鹼球磨處理，含量為複合
材料的0.5wt%)
(1) 碳納米管的處理將0.05g的碳納米管與lgKOH混合，加入一定量的乙醇，進行 球磨，球磨轉速為250r/min，球磨時間為3小時，最後用蒸餾水反覆洗滌至中性，烘乾待用。
(2) 純聚氨酯材料的製備先用聚醚多元醇(數均分子量為1816)和4， 4， -二苯基甲 垸二異氰酸酯在90°C反應lh製備預聚體，然後再用1， 4-丁二醇進行擴鏈。加入N,N-二甲基 乙醯胺進行溶解，除去溶劑製成純聚氨酯材料。其中，聚醚多元醇、4， 4， -二苯基甲烷二異 氰酸酯與1， 4-丁二醇的摩爾比為1/3/2。
(3) 複合材料的製備將0.02g經過處理的碳納米管放入30mlN,N-二甲基乙醯胺中，超 聲分散lh。將3.98g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑制 成聚氨酯/碳納米管複合材料。
對純聚氨酯材料及複合材料進行了力學性能和導電性能測試。結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料1比純聚氨酯材料的斷裂強度提高了 25%，導電性能提高了 2個數量級。
實施例2:聚氨酯/碳納米管複合材料2的製備(碳納米管經強鹼球磨處理，含量為複合 材料的5wt%)
(1) 碳納米管的處理將0.4g的碳納米管與6gKOH混合，加入一定量的乙醇將混合物 浸沒，進行球磨，球磨轉速為250r/min，球磨時間為20小時，最後用蒸餾水反覆洗滌至中性， 烘乾待用。
(2) 純聚氨酯材料的製備製備方法和實施例1中的方法相同。
(3) 複合材料的製備將0.2g經過處理的碳納米管放入30mlN,N-二甲基乙醯胺中，超 聲分散2h。將3.8g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑製成
聚氨酯/碳納米管複合材料。
性能測試結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料2比純聚氨酯材料的斷裂強度提高了 81%， 導電性能提高了3個數量級。
實施例3:聚氨酯/碳納米管複合材料3的製備(碳納米管經強鹼球磨處理，含量為複合 材料的10wt%)
(1) 碳納米管的處理將0.6g的碳納米管與12gK0H混合，加入一定量的乙醇將混合 物浸沒，加入球後進行球磨，球磨轉速為250r/min，球磨時間為30小時，最後用蒸餾水反覆 洗滌至中性，烘乾待用。
(2) 純聚氨酯材料的製備製備方法和實施例1中的方法相同。
(3) 複合材料的製備將0.4g經過處理的碳納米管放入30mlN,N-二甲基乙醯胺中，超 聲分散5h。將3.6g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑製成 聚氨酯/碳納米管複合材料。
性能測試結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料3比純聚氨酯材料的斷裂強度提高了 117%，導電性能提高了 5個數量級。
實施例4:聚氨酯/碳納米管複合材料4的製備(碳納米管經強鹼球磨處理，含量為複合 材料的20wto/。)
(1) 碳納米管的處理將lg的碳納米管與16gK0H混合，加入一定量的乙醇將混合物 浸沒，加入球後進行球磨，球磨轉速為250r/min，球磨時間為40小時，最後用蒸餾水反覆洗 滌至中性，烘乾待用。
(2) 純聚氨酯材料的製備製備方法和實施例1中的方法相同。
(3) 複合材料的製備將0.8g經過處理的碳納米管放入30mlN,N-二甲基乙醯胺中，超聲分散10h。將3.2g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑制
成聚氨酯/碳納米管複合材料。
性能測試結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料4比純聚氨酯材料的斷裂強度提高了 80%， 導電性能提高了6個數量級。
比較例l:聚氨酯/碳納米管複合材料5的製備(碳納米管經過強酸氧化處理，含量為5wt%)
(1) 碳納米管的處理將2g碳納米管加入到60ml濃硝酸與20ml濃硝酸的混合液中， 於90°<:回流攪拌20分鐘，停止加熱，除去酸液，反覆用蒸餾水洗滌至中性，烘乾。
(2) 純聚氨酯材料的製備製備方法和實施例1中的方法相同。。
(3) 複合材料的製備將0.2g經過酸處理的碳納米管放入30mlN,N-二甲基乙醯胺中， 超聲分散2h。將3.8g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑制 成聚氨酯/碳納米管複合材料。
性能測試結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料5比純聚氨酯材料的斷裂強度只提高了 8.8%，導電性能只提高了 l個數量級。
比較例2:聚氨酯/碳納米管複合材料6的製備(碳納米管經過強酸氧化處理，含量為 10wt%)
按比較例1中的方法，將0.4g經過酸處理的碳納米管放入30mlN，N-二甲基乙醯胺中，超 聲分散2h。將3.6g純聚氨酯材料放入上述溶液中，加熱溶解，並攪拌均勻後，除去溶劑製成 聚氨酯/碳納米管複合材料。
性能測試結果表明，聚氨酯/碳納米管複合材料6比純聚氨酯材料的斷裂強度提高了 15.2%，導電性能提高了2個數量級。
權利要求
1.一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於將經過強鹼機械球磨處理過的碳納米管均勻分散在溶劑中，將聚氨酯溶解在含有碳納米管的溶劑中，攪拌混合均勻；最後將混合溶液中的溶劑除去製成聚氨酯/碳納米管複合材料。
2. 根據權利要求1所述的一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於所述 的對碳納米管的強鹼機械球磨是採用溼磨方式，球磨時間控制在3-40小時，選用的強鹼為 KOH，添加劑為乙醇。
3. 根據權利要求1所述的一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於所述 的溶劑選自甲苯、丙酮、二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺或N-甲基吡咯烷酮。
4. 根據權利要求1所述的一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於所述的複合材料中聚氨酯的含量佔80-99.5wt%，碳納米管的含量佔20-0.5wt%。
5. 根據權利要求1所述的一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於所述 的聚氨酯為多元醇、異氰酸酯和擴鏈劑形成的能夠溶解於有機溶劑的聚氨酯，多元醇選自聚 醚多元醇或聚酯多元醇，異氰酸酯選自己二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、4, 4， -二苯基甲烷 二異氰酸酯或異氰酸酯的其他衍生物，擴鏈劑選自CVC6的二醇或二胺。
全文摘要
一種聚氨酯/碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於將經過強鹼機械球磨處理過的碳納米管均勻分散在溶劑中，將聚氨酯溶解在含有碳納米管的溶劑中，攪拌混合均勻；最後將混合溶液中的溶劑除去，製成聚氨酯/碳納米管複合材料。本發明製得的聚氨酯/碳納米管複合材料導電性能有很大的改善，可用作抗靜電材料，同時力學性能有很大的提高。本發明複合材料採用溶液攪拌法製備，工藝簡單，操作方便適用於大規模工業化生產。
文檔編號C08K9/00GK101407587SQ20081004182
公開日2009年4月15日 申請日期2008年8月18日 優先權日2008年8月18日
發明者王靜榮, 謝華清, 陳立飛 申請人:上海第二工業大學