[发明专利]纤维素纳米纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及的是纤维素纳米纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯的制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

 木炭在高温烧制时已蒸发掉了原木中的水分，其内部分散的无数孔隙使其具有较好的湿度调节作用。当环境湿度较高时，木炭能够吸收空气中的湿气，当环境干燥时则会释放已吸收的湿气，从而起到湿度调节作用。本发明所用木炭为市场上够买的普通木炭。

 纳米纤维素作为生物高聚物增强相，具有其他增强相无可比拟的特点：第一，源于光合作用，可安全返回到自然界的碳循环中；第二，具有非常高的强度，碳纳米管是迄今能生产的强度最高的纤维，而纳米纤维的强度约为碳纳米管强度的25 %，第三，比表面积巨大，表面能和活性的增大产生了小尺寸、表面或界面、量子尺寸、宏观量子隧道等效应，在化学、物理(热、光、电磁等) 性质方面表现出特异性，会明显改变材料的电学、光学、磁力学、绝缘性甚至超导性。关于纳米纤维素增强聚合物已经有大量的研究，但是大多数集中在PVA、PLA、环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂等。这是因为纳米纤维素表面含有大量的氢键基团，当其处于固体状态时，微纤丝之间因为巨大的氢键作用力会团聚在一起，无法起到增强效果，因此只能将纳米纤维素溶于水等极性溶液中，使其在润湿状态下才能保持良好的分散效果，但是PE、PP等属于非极性的高聚物，很难将其溶于丙酮等有机溶剂或水中，所以如何利用纳米纤维素进行增强则是本发明的重点。日本三井公司生产的L3000 超高分子量聚乙烯是分子量高达100万~600万的一类聚乙烯聚合物，具有的分子链长度是高密度聚乙烯的10~20倍。更长分子链（更高的分子量）赋予了超高分子量聚乙烯的主要优势在于韧性和耐磨性。超高分子量聚乙烯也具有润滑性、耐化学性和通用HDPE的优良电性能。长分子链使材料在通用的模塑和挤塑设备上难于加工。超高分子量聚乙烯虽然属于聚乙烯家族，但因其分子量太高而具有和普通聚乙烯完全不同的性能，所以有人也把超高分子量聚乙烯划分为工程塑料，它的开发成功被普遍认为是20世纪十大科技成果之一。

发明内容

 本发明提出的是纤维素纳米纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯的制备方法法，其目的是利用纳米纤维素与超高分子量聚乙烯首先进行湿式混合，烘干后在双螺杆挤出机中进行混炼，制备纳米纤维素增强超高分子量聚乙烯复合材料。

 本发明的技术解决方案：一种纤维素纳米纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯塑料复合材料的制备方法，包括以下步骤：

 （1）将超高分子量聚乙烯粉末置于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时，称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末40%（重量比，wt%）、60~70目木炭粉37~52% wt%与纳米纤维素纤维5~20% wt%在蒸馏水中混合，并用搅拌器在常温下搅拌15~30分钟，至均匀混合溶液；

 （2）将均匀混合溶液置于研磨机中研磨10~20次，并用真空泵抽滤出水分后，置于电热恒温鼓风干燥箱中在60~70℃下恒温干燥48~72h，使得混合物完全干燥；

 （3）将干燥后的混合物置于搅拌粉碎机中搅拌打碎成粉，最后将超高分子量聚乙烯和纤维素纳米纤维混合粉末在双螺杆挤出机中混炼挤出成型。

 将超高分子量聚乙烯粉末置于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时，称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末与纳米纤维素纤维在蒸馏水中混合，并用搅拌器在常温下搅拌30分钟至混合均匀；之后将混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和纳米纤维素纤维混合溶液置于研磨机中研磨15~30次，并用真空泵抽滤出水分后，再将过滤出的超高分子量聚乙烯和纳米纤维素纤维混合物置于电热恒温鼓风干燥箱中在60~70℃下恒温干燥48~72h，使得混合物完全干燥；之后将干燥后的混合物置于搅拌粉碎机中搅拌打碎成粉，最后将超高分子量聚乙烯和纳米纤维素纤维混合粉末在在双螺杆挤出机中混炼挤出成型。

 纳米纤维素纤维的填充量分别为5%、10%、20%和30%（按总质量计，wt%），偶联剂的添加量均为3%。将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为170~190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。混合完成后挤出成型，样条放置在20±2℃，相对湿度为50±5%的恒温恒湿环境中至少40小时。