[发明专利]一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法并将其进一步应用于制备尼龙复合材料。本发明利用氧化石墨纳米片作为优良的界面改性剂，通过对碳化硼表面处理，经过剪切分散后，氧化石墨纳米片与碳化硼自组装得到氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料，改善刚性碳化硼纳米填料与尼龙基体间的界面相互作用，采用溶液混合法与熔融共混法结合的方式，有效提高填料在尼龙基体中的分散性。本发明实现了氧化石墨纳米片和碳化硼的协同作用，增强了尼龙的机械性能，并提高了热稳定性。

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法及其对尼龙的增强。

背景技术

尼龙是一种应用广泛的热塑性工程塑料，具有强度高、耐腐蚀、轻质、自润滑和易加工等良好的综合性能，已经被广泛应用到纺织、工程零件、汽车工业、电子电器等领域。然而，尼龙产品的耐热性、导电性并不高，力学强度远不及碳纤维、凯夫拉纤维，限制了尼龙在更广泛领域的应用。

为了进一步提升尼龙的性能，可通过填充、共混和化学接枝等方法进行物理和化学改性。添加纳米填料是增强尼龙综合性能的一种有效手段，传统添加方式以直接物理共混为主，存在两大缺点：一方面直接物理混合时填料在材料基体中的分散性往往很差，团聚现象严重，并且填料与基体之间界面结合力比较薄弱，从而纳米填料增强效果远低于理论预测值；另一方面直接物理共混法通常需要较高的添加量，而纳米填料通常价格比较昂贵，导致成本大幅提高。

碳化硼(B₄C)，别名黑钻石，是已知最坚硬的三种材料之一，具有低密度、极高硬度和高弹性模量等出色的物理和机械性能，是一种理想的增强材料。但是，作为增强填料时，B₄C与基体间界面作用力弱，导致增强效果并不明显。改善填料的分散和填料-基体界面作用的方法有多种，如使用小分子表面活性剂和接枝聚合物链等。这些方法在一定程度上提升了界面作用，但降低了纳米增强填料本身的优越性能，并且在高温加工时由于有机交联分子的分解使得增强效果减弱。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，本发明涉及一种氧化石墨纳米片/碳化硼(GrO/B₄C)复合填料的制备方法，并进一步将其应用于制备尼龙复合材料来增强尼龙的性能，在于充分利用尼龙优点的基础上，提供一种有效、低成本的技术来改善纳米复合材料界面问题，制备高性能尼龙复合材料。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳化硼与酸混合进行酸处理，加热、过滤、洗涤、干燥得到表面改性后的碳化硼粉末；

(2)将氧化石墨滤饼配制成氧化石墨悬浮液，加入步骤(1)得到的表面改性后的碳化硼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，氧化石墨被剪切剥离成氧化石墨纳米片，剥离生成的氧化石墨纳米片与表面改性后碳化硼进行组装，将剪切混合后的悬浊液静置，除去底部的固体残余物，将上层悬浮液干燥得到组装好的氧化石墨纳米片/碳化硼复合填料粉体。

其中，步骤(1)中的酸处理的酸为硝酸、硫酸、盐酸中的任意一种或几种的混合，优选65wt％硝酸。溶液pH值为0.5～3，加热条件为60～120℃，处理时间4～12h。优选80～100℃处理8h。将酸处理后的溶液抽滤，用润洗液洗涤滤饼，保证酸被完全洗去。润洗液要求能快速带走滤饼中的酸，一般选用去离子水或乙醇。

步骤(1)中，洗涤方式为用去离子水洗涤至pH值至6～7，干燥方式采用冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥中的任意一种。优选冷冻干燥，能保持B₄C填料形貌。

氧化石墨滤饼中氧化石墨的平均粒径大于100μm，配制成浓度为5～40g/L的氧化石墨悬浮液，优选10g/L，该浓度下溶液粘度合适，更容易剪切分散，不易飞溅浪费，且此浓度下分散液具有液晶相，剪切分散后取向性更高；加入氨水调节pH值至中性，优选调至pH为8，氧化石墨在弱碱性下分散剥离效果更好。