[发明专利]一种高强度聚合物复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过将纳米增强和自增强技术结合制备高强度聚合物复合材料的方法。

背景技术

某些特殊领域如航空工业、军工等领域的发展对聚合物材料的性能提出了更高的要求,如高强度、高模量、轻质等。对提高聚合物材料的机械强度，传统采用纤维（如玻璃纤维或碳纤维）增强和增大聚合物材料分子量的改性方法，虽可在一定程度上提高聚合物的机械强度，但却带来材料比重增大、粘度增大使加工困难等问题，无法满足目前高端产品对兼具透明、轻质和高性能材料的急切需求。

金属和陶瓷从理论上计算金属键得到的强度和我们实际测得强度接近或相等，而聚合物材料实际模量及强度值远远未达到其理论值。聚合物材料的实际模量和强度远远低于聚合物中C - C、C - H键的强度,这主要是由于聚合物材料内部大分子链的无规排列,使分子链本身的高强度并没有转化为制品的高强度。因为在强度试验中材料表现出的强度绝大部分是由相对要弱得多的分子间力(范德华力,氢键)提供的。同时由于聚合物是一种黏弹性材料,其模量和强度随时间、温度而变化,且聚合物中都有一定量的自由体积,这些都造成理论强度和实际强度有较大的差异。通过有意识地利用大分子链内和大分子间的不同作用力,尽可能地伸展以C - C键结合的大分子链,造成链的刚直取向,就有可能获得高模量、高强度的聚合物材料。柔性链高分子,如能极度地提高其取向度和结晶度,则至少在纤维轴向可得到足以和钢铁匹敌的模量和强度。这就给我们增强聚合物材料性能提出了一个方向，即让聚合物材料内部大分子沿应力方向有序排列,在化学键能一定的情况下,材料的宏观强度可得到大幅度提高,同时分子链的有序排列使结晶度提高,从而使材料的强度进一步提高。

尽管如此，通过取向使聚合物强度提高的幅度仍低于预期。对取向聚合物结构研究表明，以半结晶聚合物为例，取向聚合物中晶区和无定形区交替排布，晶区中晶体呈伸直微纤，紧密堆积；而非晶无定形区中的分子链尽管沿取向方向排列，却并不具备三维有序，因分子链长短和取向不一，存在链端缺陷，成为材料中的薄弱点，限制了材料强度的进一步提升。因此，如何调控取向聚合物的结构，提高其无定形区的承载能力，是进一步提高取向聚合物材料强度的关键。

纳米技术和纳米材料的出现为上述问题的解决带来了希望。因为纳米尺寸效应，少量纳米无机粒子的加入就可能引起材料性能的显著变化，同时材料的比重、加工粘度和回收利用却不受影响。纳米无机粒子的尺寸和聚合物单分子链的相对尺寸（Rg=5nm）相当，因此，纳米复合材料中分子链和纳米无机粒子间存在极大相互作用界面，这种纳米无机粒子表面的“界面层”作用逾渗会影响聚合物的界面特性和动态性能，这一点得到有关聚合物纳米复合材料的理论和实验研究证实。这就给我们以启示，可以利用纳米无机粒子与聚合物分子链间的强相互作用，在适宜外场（如温度场、应力场和速度场等）作用下使纳米粒子形成逾渗作用网络，这样纳米无机粒子就可以作为材料内部的物理交联点将不同长度的分子链“束扎”在一起，减少链端缺陷，提高分子链的承载能力。另一方面，研究表明对结晶聚合物，纳米无机粒子无法进入晶区，主要分布在晶区和非晶区的界面，同时可起到界面调控的作用。

因此通过将纳米增强和自增强技术结合制备，可以在低的粒子含量下，显著地提高聚合物复合材料的力学性能，而少量纳米无机粒子的加入对复合材料的回收还有一定的改性作用，相比玻璃纤维的高填充量和难回收有较大的实用价值。同时取向拉伸可以改善无机粒子在基体材料的分散状况，因此用纳米无机粒子/聚合物复合材料来制备自增强材料成为一个新的研究热点。

通过不同的工艺方法获得分子定向排列的复合材料是研究的难点之一，而将取向的材料能成功的应用在最终产品也是研究的热点。因为取向材料在制备应用材料时，加工过程不可避免的有分子链解取向的存在，最终会影响复合材料的性能。如何避免分子链解取向成为能否成功制备高强度复合材料的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将纳米增强和自增强技术结合制备聚合物复合材料的方法，所制得复合材料的拉伸强度和拉伸模量均有显著提高。

本发明的目的可以通过如下的措施来实现：

一种聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：将单体化学接枝改性纳米无机粒子，单体的摩尔用量与纳米无机粒子相等，再将改性后的纳米粒子与热塑性聚合物熔融共混-挤出制作棒状预型坯或熔融共混-模压制作片状预型坯；所述纳米无机粒子的用量为热塑性聚合物的1~3重量%；