[发明专利]一种高强、高韧玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料制备方法

说明书

一种高强、高韧玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料制备方法，属于高分子复合材料领域。所述的石墨烯尼龙6复合材料使用原位聚合的方法，将氧化石墨烯溶液与己内酰胺在聚合前期混合，在聚合过程中尼龙分子链与氧化石墨烯发生反应接枝在氧化石墨烯表面，解决了石墨烯在尼龙单体中分散性不好、容易团聚的问题，同时，将石墨烯的优良性能引入尼龙基体中。再使用共混的方式，引入玻璃纤维，协同增强、增韧尼龙基体。本发明所涉及到的玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料具有极佳的强度和韧性，并且本发明的生产工艺仅需对现在工艺进行简单改进，适合工业生产。

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，涉及一种高强、高韧玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料制备方法，所合成的玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料具有高强度、高韧性的特点。

背景技术

尼龙6(PA6)凭借其优良的性能，成为应用最为广泛的工程塑料品种之一，居五大工程塑料之首。但其耐强酸强碱性差，干态韧性不足，低温冲击强度低，容易燃烧等大大限制了PA6的应用。PA6自身所具有的优点已经远远不能满足人们所期望的要求，为了获得性能更加优异，且满足特殊要求的材料，对尼龙改性的研究日益为人们所重视。

20世纪50年代初，出现了纤维增强聚合物基复合材料。纤维增强高分子复合材料是以有机聚合物为基体，纤维作为增强体组合而成的复合性能优异的材料。其中，玻璃纤维增强尼龙复合材料是较为常用的纤维增强改性尼龙手段。

石墨烯的出现为人们在改性尼龙的方法上提供了新的思路。石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现最薄的二维材料。石墨烯具有优良的导电性能(1.5×104cm²/(V·s))、热导率(3000W/(m·K))、较大的比表面积(2600m²/g)、力学性能的理论弹性模量达到1000GPa和拉伸强度可以达到125GPa。但是由于石墨烯强大的范德华力具有疏水性和易团聚的特点，限制了其广泛应用。氧化石墨烯(GO)的出现正好解决了上述问题，它是石墨烯的派生物，与石墨烯的结构大体相同，只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连接有大量含氧基团。与石墨烯相比，氧化石墨烯具有更加优异的性能，其不仅具有良好的润湿性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插层后剥离，在改善材料的热学、电学、力学等综合性能方面发挥着非常重要的作用。

采用原位共聚的方法将氧化石墨烯在聚合初期分散到己内酰胺单体中，解决了纳米粒子改性中的分散问题。再进行己内酰胺的开环聚合，将尼龙接枝到GO纳米片上，制备出石墨烯尼龙6复合材料。石墨烯上大量的羧基官能团虽然有利于尼龙的接枝，但是由于羧基是尼龙的封端剂，在聚合过程中会限制尼龙链的增长，导致最后随着氧化石墨烯含量的增加，尼龙的分子量会逐渐减低，这样最后反而会影响尼龙的性能。

现有技术中一般采用石墨烯与尼龙单体先原位反应制备石墨烯尼龙母粒，然后再与尼龙复合可以克服上述问题，但现有技术中还是不能进一步提高石墨烯尼龙母粒材料中尼龙的分子量问题。如专利201610475005.9中，邱等人所述的高导热石墨烯/尼龙复合材料中，使用两段升温、保持高压力反应原位聚合所得到的复合材料，会存在分子量较低的问题。

本文中制备了较高分子量的石墨烯尼龙6复合材料，再使用双螺杆挤出机将玻璃纤维与该石墨烯尼龙6复合材料共混，最终制备出高强度、高韧性的玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强、高韧玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料制备方法，采用原位共聚法，在己内酰胺中添加氧化石墨烯，然后进行特定的己内酰胺的开环聚合和通过与表面官能团之间的接枝反应，将尼龙接枝到氧化石墨烯上，并且氧化石墨烯在聚合过程中被还原为石墨烯，从而制备出尼龙分子量分布更窄、分子量更高的石墨烯尼龙6复合材料。再使用双螺杆挤出机将玻璃纤维与该石墨烯尼龙6复合材料共混，最终制备出高强度、高韧性的玻璃纤维/石墨烯尼龙6复合材料。