[发明专利]通过有机化改性纳米粒子制备聚烯烃基复合纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于先进复合材料领域，特别涉及一种通过多层核壳有机化改性纳米粒子制备聚烯烃基复合纤维的方法。

背景技术

聚烯烃纤维具有易加工、产量大、价格低廉、耐水、化学性质稳定等优点，所以对其应用领域非常广泛。但强度低、不耐热、易变形、易燃烧等缺点制约了对其在各领域中的应用。所以，对聚烯烃进行改性，进一步提高其性能具有十分重要的意义。填充改性是聚烯烃纤维改性的公知的方法技术之一，通过添加无机填料可使聚烯烃的刚性、耐热性、尺寸稳定性等得到改善，但这往往会使聚烯烃韧性下降。当粉末填料颗粒尺寸达到纳米级时，填料颗粒具有许多普通宏观颗粒没有的特殊性质，如量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、宏观隧道效应、小尺寸效应和超塑性等。将其加入到聚烯烃中后，发挥协同作用，将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能糅合在一起，表现出其它的无机填料增强聚合物复合材料等所不具备的性能。一方面，纳米粒子在加入量很小的情况下即可使聚合物的强度、刚度、韧性及阻隔性能获得明显提高；另一方面，由于聚烯烃分子与纳米粒子之间相互作用，使聚烯烃分子链段的运动受到限制，从而提高了复合材料的耐热性及材料的尺寸稳定性。此外，还可以用特殊功能的纳米粒子制备功能性纳米纤维，如纳米SiC的耐热性能很好，可以通过添加纳米SiC来制备具有耐热性能的聚烯烃纤维。因此，利用纳米粒子对聚烯烃进行改性，制备纳米聚烯烃复合纤维的研究引起了人们越来越广泛的关注。

通过纳米微粒填充法将已聚合好的聚烯烃与纳米粒子通过熔融、溶液或者乳液等形式共混，制备纳米聚烯烃复合纤维的方法简单易行，可供选择的纳米材料种类多，无机纳米材料与有机聚合物的几何参数和体积分数等易于控制。但纳米材料比表面积大，表面能极高，纳米粒子之间容易团聚。同时聚烯烃分子结构中不含极性基团，使得无机的纳米粒子与聚烯烃之间的相容性很差，造成无机纳米粒子与聚烯烃之间相界面缺陷较多，容易产生相分离，最终造成产品的性能差。所以，为了获得稳定性良好的复合材料，这就需要使纳米材料充分地分散在有机聚合物基体中，保持纳米材料的纳米级粒度，最终实现有效地对聚烯烃的改性。因此，解决纳米材料在聚合基质中的良好分散和良好的相容性是提升纳米聚烯烃复合材料性能的关键。

现有技术中，或是在聚烯烃中直接加入未经处理的纳米粒子，或是对纳米粒子进行简单的表面有机化改性，如用偶联剂处理、加入表面活性剂、机械化学处理等。但这些方法或是不足以很大程度上提升纳米粒子的分散性及其与聚烯烃之间的相容性，或是过程复杂、难以控制，使得最终的效果不够理想。香港科技大学Shilun Ruan等人[Shilun Ruan，Ping Gao，T.X.Yu.Ultra-strong gel-spun UHMWPE fibers reinforced using multiwalled carbon nanotubes.Polymer，2006(47)：604-1611]将酸化处理后的多壁碳纳米管(MWNTs)直接加入到超高分子量聚乙烯(UH-MWPE)中，制备了UH-MWPE基纳米复合纤维，发现加入1wt％的纳米粒子就能有效地增韧UH-MWPE，并提高其抗蠕变性，但是该方法显示纳米粒子已有较明显的团聚现象。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种通过有机化改性纳米粒子制备聚烯烃基复合纤维的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种通过有机化改性纳米粒子制备聚烯烃基复合纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)合成能够与纳米粒子表面羟基反应，并有引发单体进行活性自由基聚合功能的CNS：将一定量的含有氯甲基的三甲氧基硅烷(A)和一定量的二硫代氨基甲酸盐(B)分别溶解到四氢呋喃中，相应的得到混合溶液a、混合溶液b；然后将混合溶液b缓慢地加入到混合溶液a中，室温下进行搅拌2～5h，将沉淀物过滤掉，然后于160～170℃下真空蒸馏去除溶剂，得到粘性液体CNS，备用；

(2)纳米粒子的羟基化处理：将纳米粒子置于浓硝酸与浓硫酸体积比为3∶1的混合液中，于85～95℃下回流处理5～10h，然后离心过滤，并用去离子水洗涤后，于干燥箱中干燥8～15h，备用；