一種樹脂/粘土納米複合材料及其製備方法
2023-06-05 09:18:31 1
專利名稱：一種樹脂/粘土納米複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及材料領域，特別是一種二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料及其製備方法。
背景技術：
通過二氧化碳和環氧化合物共聚得到的二氧化碳基樹脂是一類新型的高分子材料，其中最受關注的是由二氧化碳和環氧丙烷、環氧乙烷等的共聚物。二氧化碳基樹脂作為全生物降解塑料，是目前使用的普通塑料替代品，可用於解決難於降解且對環境造成汙染的「白色垃圾」問題。然而，因受其本身力學性能差和玻璃化溫度低的影響，在單獨作為一種材料使用時其應用範圍受到一定的限制。
為提高該樹脂的性能，擴大其應用範圍，需對該樹脂進行改性。常用的改性方法有(1)化學改性藉助其端羥基利用有機矽改性，通過異氰酸酯的作用，連接上可水解性的有機矽烷，製得矽烷化的聚碳酸酯，化學改性雖提高了樹脂的力學性能和熱性能，但成本高，工業化生產存在困難。
(2)物理改性將樹脂與澱粉共混改性，性能改善不明顯。
聚合物與層狀矽酸鹽粘土插層納米複合是一種材料製備與改性的新技術，已成功應用於許多熱塑性塑料和熱固性樹脂的改性。由於納米尺度效應和強的界面相互作用，使納米複合材料具有優異的力學性能、耐熱性能和良好的加工性能。
中國專利00105797、01124193、01138007、02139339、02139341公開了幾種樹脂/粘土納米複合材料的製備方法。這些樹脂分別是聚烯烴、聚乙烯、聚醯胺、聚丙烯、聚氨酯彈性體。這些方法均使層狀矽酸鹽粘土在納米尺度得到均勻分散，使複合材料的性能得到了很大的提高。而採用二氧化碳基樹脂與粘土共混製備納米複合材料的專利文獻未見報導。
製備粘土納米複合材料的方法很多，而聚合物熔體插層複合法是一種最直接、最簡單、無汙染、適用性廣、操作工藝簡單的製備納米複合材料的新方法。前人採用這種方法製備了聚丙烯/蒙脫土納米複合材料、聚苯乙烯/粘土納米複合材料等。
聚合物熔融插層法是應用傳統的聚合物加工工藝，在聚合物熔點或玻璃化轉變溫度以上，通過混合或剪切的作用，使聚合物分子擴散並插入到層狀矽酸鹽粘土片層間共混製備納米複合材料的方法。熔融插層製備聚合物/粘土納米複合材料的過程分為2個階段一是粘土的有機化處理，這一步的重點是選擇合適的插層劑，對許多聚合物而言.這是插層成功與否的關鍵；二是有機化粘土與聚合物的熔融共混插層，它又可根據加工方式的不同分為雙輥共混插層、擠出插層、注射插層等。當然。如果聚合物本身可以與粘土存在強的界面相互作用而形成鍵合力，粘土就不需要有機化。直接與聚合物進行熔融插層也完全可行。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提高二氧化碳基樹脂的力學性能和玻璃化溫度，擴大該環保型樹脂的應用範圍。
本發明解決其技術問題採用如下的技術方案本發明由下述重量百分比的原料製成二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料，即二氧化碳基樹脂70～99、層狀矽酸鹽粘土1～30。
本發明由下述方法製備二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料，主要步驟是製備混合均勻的物料、擠出成型和冷卻、包裝。
本發明具有如下的有益效果其一.採用的熔融插層法工藝簡便，易於實現工業化生產。
其二.所用改性劑為層狀矽酸鹽粘土，原料易得，價廉，適於推廣應用。
其三.所製備的二氧化碳基樹脂/粘土納米複合材料，其粘土分散相尺度為10～100nm，達到了納米尺度的分散，形成了聚合物基納米複合材料。二氧化碳基樹脂基體與粘土分散相間有很強的界面相互作用，使粘土片層的高強度、高耐熱性與二氧化碳基樹脂良好的韌性、可加工性充分的結合，樹脂的力學性能和熱性能有了大幅度的提高，得到了性能優異的納米複合材料。
其四.由於選用層狀矽酸鹽粘土與易於生物降解的二氧化碳基樹脂複合，因此本發明所製備的複合材料具有環保性能，使用後不會對環境造成汙染。
具體實施例方式
本發明是一種二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料及其製備方法。
一.二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料由下述重量百分比的原料製成二氧化碳基樹脂70～99，層狀矽酸鹽粘土1～30。
上述二氧化碳基樹脂為粒料或粉料，可採用二氧化碳—環氧丙烷共聚物、二氧化碳—環氧丙烷—環氧乙烷三元共聚物、二氧化碳—環氧丙烷—環氧環己烷三元共聚物等的一種或一種以上的混合物。
層狀矽酸鹽粘土可採用蒙脫土、膨潤土、、蛭石或累託石的一種或一種以上的混合物。所用粘土可以是普通未改性粘土，也可以是經過改性處理的有機化粘土，最好是有機化粘土。所用粘土的粒徑為200～400目，層間距離為0.9～3.5nm，粘土層間距越大，複合材料的性能越好。在粘土含量低於重量1％時，粘土不會產生顯著的增強改性效果；當含量超過重量30％時，高分子鏈不易對粘土片層產生插層與剝離。本發明中，粘土最佳含量為重量2～20％。
二.二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料的製備主要步驟如下(1)製備混合均勻的物料在25～40℃、轉速50～100r/min的條件下混合3～30min，將粒徑為200～400目的層狀矽酸鹽粘土分散在二氧化碳基樹脂中，形成均勻的混合體系。層狀矽酸鹽粘土作為改性劑，二氧化碳基樹脂作為基料，其重量百分比依次是1～30、70～99。
(2)擠出成型將雙螺杆擠出機預熱，加入混合均勻的物料，擠出後由旋轉甩刀切成圓片狀粒料。
擠出成型的工藝條件為雙螺杆擠出機的螺杆長徑比為11～21，壓縮比為1.5～3.5∶1，轉速為20～80r/min。
擠出溫度加料段溫度為室溫～40℃，壓縮段溫度為50～90℃，均化段溫度為100～140℃，機頭及口模溫度為110～140℃。
(3)粒料冷卻至室溫，包裝即製成二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽納米複合材料。
下面藉助於具體實施例對本發明作出進一步的說明。
實施例1將BioCO2TM 100型二氧化碳基樹脂(二氧化碳—環氧丙烷共聚物)96份和有機累託石(粒徑為300目，層間距為3.1nm)4份在混合機中混合攪拌15min，轉速為70r/min，形成均勻的混合體系。將混合物料放置於雙螺杆擠出機中，熔融擠出成型。工藝條件為螺杆長徑比為13，壓縮比為2∶1，轉速為60r/min。擠出溫度加料段為40℃，壓縮段為60℃，均化段為120℃，機頭及口模為140℃。造粒後冷卻製得二氧化碳基樹脂/有機累託石納米複合材料。該複合材料的力學性能如下拉伸強度18.90MPa，衝擊強度28.26kJ/m2，分別比純二氧化碳—環氧丙烷共聚物樹脂提高了143.2％和48.6％。該複合材料的玻璃化溫度為61.8℃，比純樹脂提高了13℃。
實施例2BioCO2TM 200型二氧化碳基樹脂(二氧化碳—環氧丙烷—環氧乙烷三元共聚物)95份和有機蒙託土(粒徑為200目，層間距為2.8nm)5份置於混合機中混合攪拌20min，轉速為60r/min，形成均勻的混合體系。將混合物料放置於雙螺杆擠出機中，熔融擠出成型。工藝條件為螺杆長徑比為16，壓縮比為1.5∶1，轉速為50r/min。擠出溫度加料段為30℃，壓縮段為50℃，均化段為110℃，機頭及口模為130℃。造粒後冷卻即製得二氧化碳基樹脂/有機蒙託土納米複合材料。該複合材料的力學性能如下拉伸強度22.91MPa，衝擊強度22.63kJ/m2，分別比純二氧化碳—環氧丙烷—環氧乙烷三元共聚物樹脂提高了194.9％和20.5％。該複合材料的玻璃化溫度為58.8℃，比純樹脂提高了17℃。
實施例3BioCO2TM 300型二氧化碳基樹脂(二氧化碳—環氧丙烷—環氧環己烷三元共聚物)92份和蒙託土(粒徑為200目，層間距為1.0nm)8份置於混合機中混合攪拌10min，轉速為80r/min，形成均勻的混合體系。將混合物料置於雙螺杆擠出機中。擠出成型的工藝條件螺杆長徑比15，壓縮比2.5∶1，轉速為60r/min。擠出溫度加料段40℃，壓縮段60℃，均化段120℃，機頭及口模140℃。造粒後冷卻至室溫，製得二氧化碳基樹脂/蒙託土納米複合材料。該複合材料的力學性能如下拉伸強度19.14MPa，衝擊強度22.56kJ/m2，分別比純二氧化碳—環氧丙烷—環氧環己烷三元共聚物樹脂提高了146.3％和18.6％。該複合材料的玻璃化溫度為54.3℃，比純樹脂提高了5℃。
上述實施例僅用於對本發明作進一步的說明，而不是對本發明的限制。
權利要求
1.一種樹脂/粘土納米複合材料，其特徵是二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料，由下述重量百分比的原料製成二氧化碳基樹脂 70～99，層狀矽酸鹽粘土 1～30。
2.根據權利要求1所述的樹脂/粘土納米複合材料，其特徵在於層狀矽酸鹽粘土的含量為重量1～30％。
3.根據權利要求1或2所述的樹脂/粘土納米複合材料，其特徵在於層狀矽酸鹽粘土為普通的或經過有機化改性處理的粘土，所用粘土的粒徑為200～400目，層間距為0.9～3.5nm。
4.根據權利要求3所述的樹脂/粘土納米複合材料，其特徵在於層狀矽酸鹽粘土為蒙脫土、膨潤土、蛭石或累託石的一種或一種以上的混合物。
5.根據權利要求1所述的樹脂/粘土納米複合材料，其特徵在於二氧化碳基樹脂為二氧化碳-環氧丙烷共聚物、二氧化碳-環氧丙烷-環氧乙烷三元共聚物、二氧化碳-環氧丙烷-環氧環己烷三元共聚物的一種或一種以上的混合物，為粒料或粉料。
6.一種樹脂/粘土納米複合材料，其特徵在於由下述方法製備二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料，主要步驟如下(1)製備混合均勻的物料將層狀矽酸鹽粘土和二氧化碳基樹脂在25～40℃和50～100r/min轉速下混合3～30min，得到混合均勻的物料，兩種原料的重量百分比依次是1～30、70～99，(2)擠出成型將雙螺杆擠出機預熱，加入混合均勻的物料，擠出後由旋轉甩刀切成圓片狀粒料，(3)將圓片狀粒料通過冷卻、包裝後，即得二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽納米複合材料粒料。
7.根據權利要求6所述的樹脂/粘土納米複合材料的製備方法，其特徵在於採用如下的擠出成型的工藝條件雙螺杆擠出機的螺杆長徑比為11～21，壓縮比為1.5～3.5∶1，轉速為20～80r/min，擠出溫度加料段溫度為室溫～40℃，壓縮段溫度為50～90℃，均化段溫度為100～140℃，機頭及口模溫度為110～140℃。
全文摘要
本發明涉及一種二氧化碳基樹脂/層狀矽酸鹽粘土納米複合材料及其製備方法。本發明所採用的二氧化碳基樹脂為可生物降解樹脂。所採用的層狀矽酸鹽可以是普通層狀矽酸鹽粘土或是經有機化處理的層狀矽酸鹽粘土。製備方法按如下步驟進行(1)二氧化碳基樹脂與層狀矽酸鹽粘土粉末在一定溫度和轉速條件下共混；(2)在一定溫度和壓力下擠出造粒。本發明的有益之處是(1)通過與粘土複合改性後，提高了二氧化碳基樹脂的力學性能和熱性能；(2)製備方法工藝簡單，容易實現工業化。
文檔編號C08K3/34GK1793237SQ200510120508
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月22日 優先權日2005年12月22日
發明者餘劍英, 萬春傑, 夏春 申請人:武漢理工大學