[发明专利]一种高耐磨性CNF/PMMA复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高耐磨性CNF/PMMA复合材料的制备方法。其基本特点是将纤维素纳米纤丝作为基体预先以较高的浓度被包覆于PMMA中，制备出复合材料母料，后按照一定比例将母料与PMMA通过熔融挤出的方法制备成高耐磨性CNF/PMMA复合材料。利用纤维素纳米纤丝作为增强相能够在不影响透光性的前提下，显著提高PMMA复合材料的耐磨性能，得到的高耐磨性CNF/PMMA复合材料在电子屏幕以及航天非结构材料等领域具有潜在应用。

技术领域

本发明涉及聚甲基丙烯酸甲脂复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种高耐磨性CNF/PMMA复合材料的制备方法。

背景技术

聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)作为一类热塑性复合材料，因具有优良透光性、耐气候性，且质轻、价廉、易于成型被广泛应用于在航空、汽车、电子、建材以及广告标牌等行业，但由于其表面硬度低、易擦毛、耐摩擦性能差，从而影响其透光性、光泽度，严重制约其发展与应用。为扩大PMMA应用范围，改善其耐磨性能是较为重要的研究方向，其中在聚甲基丙烯酸甲酯中加入纳米颗粒来对其进行改性的相关研究得到国内外科研工作者的广泛关注。目前已经报道的有关提高聚合物材料相关性能的研究主要集中在将一种无机纳米材料引入到聚合物基体中制备二元纳米复合材料。与这些无机纳米材料相比，纤维素纳米纤丝(CNF)具有很大的比表面积、较高的机械强度、可生物降解、透光性好等优点，作为一种高刚性、高强度的纤维状材料，在PMMA、PVA、ABS等热塑型复合材料中做增强相具有较大的应用潜质。目前大量研究证实纤维素纳米纤丝增强PMMA复合材料的可行性，但PMMA纳米复合材料的相关研究仍集中在对PMMA复合材料的力学性能、热稳定性的改良，关于提高其耐磨擦性能方面少有研究。

另一方面，目前纤维素纳米纤丝增强热塑性复合材料的研究方法主要是通过溶液浇铸、熔融共混、乳液共混等方法制备复合材料最后热压成型并进行性能测试，而被大多数学者采用的溶液浇铸法效率低，难以大规模使用，且由于纤维素纳米纤丝晶体表面大量羟基的存在，在制备纤维素纳米纤丝增强复合材料的过程中，非常容易发生自聚集现象，难以在树脂基体中分散均匀性。此外纤维素纳米纤丝在高温熔融挤出机中容易碳化，从而影响对复合材料的增强效果。

相较之下，母料法将纤维素纳米纤丝填充剂预先以较高的浓度包覆在树脂基体中，再与目标树脂混合，可以解决纤维素纳米纤丝在复合材料基体中的分散问题，在高聚物加工行业中被广泛采用。Gong等[4]运用此方法制备了纤维素纳米纤丝增强聚乙烯醇复合材料，发现拉伸强度有所改善。虽然已有研究通过母料法来使纤维素纳米纤丝提高复合材料性能，但目前主要集中于对ABS等材料的性能改善，还未有关于CNF/PMMA复合材料母粒制备的研究，在PMMA材料上并未充分利用纤维素纳米纤丝材料以及母料法的优势。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对目前CNF/PMMA复合材料制备方法中纤维素纳米纤丝难以在基体中分散均匀且制备出的CNF/PMMA复合材料耐摩擦性能较差的问题，提出一种高耐磨性CNF/PMMA复合材料的制备方法。其基本特点是将纤维素纳米纤丝作为基体预先以较高的浓度被包覆于PMMA中，制备出复合材料母料，后按照一定比例将母料与PMMA通过熔融挤出的方法制备成高耐磨性CNF/PMMA复合材料。

本发明通过以下技术方案实施：

(1)制备CNF气凝胶：将300～800质量份的纤维素纳米纤丝水凝胶进行液氮处理后，冷冻干燥48～72h后得到CNF气凝胶；

(2)制备CNF/PMMA复合材料母料：分别将6～20质量份的步骤(1)制备的CNF气凝胶和3～10质量份的PMMA溶于50～200质量份的丙酮中得到CNF丙酮溶液和PMMA丙酮溶液，将其混合搅拌使得丙酮溶剂挥发，干燥粉碎后得到高纤维素纳米纤丝添加量的复合材料母粒；

(3)制备高耐磨性CNF/PMMA复合材料：将10～30质量份步骤(2)制备的母粒与35～50质量份PMMA颗粒加入熔融挤出机，在一定温度下熔融挤出最终得到高耐磨性纤维素纳米纤丝/聚甲基丙烯酸甲脂复合材料；