[发明专利]一种具有取向填料的聚合物复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物加工领域，更具体地说，是涉及含有能够取向的形状各向异性填料的聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

随着复合材料技术的发展，复合材料的应用领域变得越来越广，使用量也得到极大的增长。一个很好的例子就是，目前世界上最先进的两款客机，空中客车的A380以及波音的梦想787都大量使用了复合材料。这些客机的机身和机翼所使用的复合材料占飞机总重量的比例达到了史无前例的约50％。由于复合材料一般较轻，容易加工成型成各种形状和结构，因此不但能使飞机的重量得到很大的减轻，而且空气动力学等也能有极大的改善。复合材料特别是聚合物复合材料，除了作为结构材料使用外，在粘结、阻隔、屏蔽、导电、抗腐蚀等广大领域也都有非常重要的应用。虽然在聚合物的研究和应用等方面都已经有了显著的进展和成效，但是聚合物复合材料的许多性能仍然不太理想，制备加工工艺等仍然有许多需要改进的地方。世界各地的研究者都在对聚合物复合材料的性能改善和拓展，以及复合加工工艺的改进，进行着不懈的努力。

目前聚合物复合材料的制备一般采取机械共混、原位聚合共混以及逐层组装等方式。所用的填料包括各种天然以及人工合成的有机和无机物质。这些填料一般是至少一个维度在微米或者纳米尺寸的颗粒、纤维、管状以及棒状材料等。对于微米尺寸的填料，其在聚合物基体中的分散相对容易，但是所得材料的性能比较一般。其原因是微米填料的比表面积不大，不能与聚合物基体产生大的界面，这样一方面不能同聚合物基体形成足够的界面作用力，另一方面是当作为力学材料使用时不能对能量(应力)进行有效转移。纳米尺寸的填料由于具有大的比表面积，与聚合物基体可以有大量的界面并能形成有效的界面作用力，一般来讲填加较少量的纳米填料，所得的纳米聚合物复合材料就可以具有比较优良的力学以及其他性能。但是纳米填料一般都存在容易发生团聚的缺点，使得纳米填料在聚合物基体中的有效分散产生极大的困难，导致对聚合物性能的改善大大低于预期值。除了尺寸大小、界面和界面作用力以及分散程度外，填料在聚合物基体中的存在方式对最终材料的性能也有至关重要的影响。一般情况下，填料以无规形式分散于聚合物基体中，得到宏观上均匀的体系。近年来，人们开始研究将填料在聚合物基体中以一定取向性存在，并发现含有取向性填料的聚合物复合材料显现许多优异的性能。其实自然界中许多具有优异的性能的材料，比如骨头、贝壳以及木材等，都是具有取向性填料的复合材料。用于制备复合材料的填料可以是规则的球状颗粒，也可以是不规则但具有纵横比为1的颗粒。

目前，制备具有取向性填料的聚合物复合材料的手段不多，主要有以下两种方式：

第一种是在成型过程当中施加剪切或者拉伸应力。由于该应力作用一般是在成型时采用挤压、流延等手段产生的，因此不但效率低下、效果差，而且不易控制。

第二种是在成型过程当中对具有偶极矩的填料施加磁场或者电场作用。由于该磁场或者电场作用一般需要填料本身具有偶极矩而且聚合物基体的粘度必须很低，因此该方法不能通用于惰性填料，应用范围非常有限。

第三种是采用多次旋涂或者逐层组装等工艺。由于采用旋涂和组装技术都需要有许多步骤，因此过程繁琐，耗时长，也不容易大规模生产。

发明内容

本发明提供一种具有取向填料的聚合物复合材料及其制备方法，其克服了背景技术复合材料制备方法所存在的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种具有取向填料的聚合物复合材料，它包括至少一种聚合物基体，该些种聚合物基体中至少有一种聚合物基体中填充有至少一种具有形状各向异性的填料；包含该些聚合物基体原料和形状各向异性填料的物料组成，通过分割-再层叠汇合的层倍增挤出方法制备成复合材料，在制备中该形状各向异性的填料在物料料流中得到取向。

本发明的一较佳实施例中，该形状各向异性的填料是至少在一个方向上的尺寸与其他方向上尺寸不相同的材料。

本发明的一较佳实施例中，该形状各向异性的填料是至少在一个方向上的尺寸不大于500纳米的材料。

本发明的一较佳实施例中，该聚合物基体原料是在外力作用下可以发生流动并具有合适流变行为的材料。

本发明的一较佳实施例中，该聚合物基体原料是通过合适的物理和/或者化学手段处理后可以在外力作用下发生流动并具有合适流变行为的材料。

本发明的一较佳实施例中，该所述的外力包括压力、推力、拉力、剪切力、摩擦力、重力中任何一种。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种具有取向填料的聚合物复合材料的制备方法，其特征是：