一种碳纳米管掺杂植纤类高分子材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及高分子材料制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管掺杂植纤类高分子材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
植纤是指植物纤维，我国每年在农作物加工和收获过程中产生了大量的植物纤维；如果该植物纤维废气不用，对环境将会造成一定的影响。在高分子材料制备领域，一般可以将植物纤维与高分子材料树脂进行混合，制备木塑材料。
[0003]
在具体的木塑材料制备过程中，如果木纤维或木粉用量过多，则会存在制备得到的木塑材料的强度不足。如中国发明专利201610422740.3公开了一种聚乙烯醇基木塑复合材料及其熔融加工方法，其是以聚乙烯醇为基体树脂与木粉或植物纤维混合后制备得到木塑复合材料。但是其弯曲强度在29～40mpa之间，难以满足高强度需求的复合材料的要求。
[0004]
为了解决该问题，通常的做法是加入增强型填料，如碳纳米管是常用的增强型填料之一。碳纳米管的加入虽然能提高木塑材料的强度，但是碳纳米管在不同的基体材料中的分散性是不同的，如果碳纳米管不能充分分散在基体材料中，那么碳纳米管并不能有效的提高木塑材料的强度；由于碳纳米管的成本较高，如不能很好的将碳纳米管分散在木塑材料中，为了达到一定的强度，必然会造成碳纳米管的使用量增加，从而增加了木塑材料的生产成本。因此，如何将碳纳米管充分分散在不同的基体材料中，从而最大程度发挥碳纳米管的增强作用，是本领域技术人员需要克服的技术难点之一。


技术实现要素：

[0005]
为了提高以聚乙烯醇为基体树脂的木塑材料的强度的问题，本发明提供了一种碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。本发明所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料中的碳纳米管能够充分的分散在聚乙烯醇中，使得使用相同量的碳纳米管可以得到强度更高的高分子材料。
[0006]
本发明所要解决的上述技术问题，通过以下技术方案予以实现：
[0007]
一种碳纳米管掺杂植纤类高分子材料，其包含如下重量份的组分：
[0008]
聚乙烯醇
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10～40份；桉木纤维
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30～50份；棉杆纤维
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30～50份；碳纳米管
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1～3份；分散剂
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1～3份。
[0009]
优选地，所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料，其包含如下重量份的组分：
[0010]
聚乙烯醇
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20～30份；桉木纤维
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30～40份；棉杆纤维
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30～40份；碳纳米管
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1～2份；分散剂
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1～2份。
[0011]
最优选地，所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料，其包含如下重量份的组分：
[0012]
聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0013]
优选地，所述的碳纳米管为多壁碳纳米管。
[0014]
优选地，所述的分散剂为复合型分散剂，所述的复合型分散剂由质量比为1：2～4的分散剂a和分散剂b组成；
[0015]
所述的分散剂a由聚合醇胺和4,4-氧双邻苯二甲酸酐反应制备得到；
[0016]
所述的分散剂b由聚合醇胺和3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐反应制备得到。
[0017]
具体地，所述的分散剂a具体通过如下方法制备得到：
[0018]
在100重量份的聚合醇胺中加入12～20重量份的4,4-氧双邻苯二甲酸酐，在氮气环境下，于150～200℃搅拌反应6～10h，即得所述的分散剂a。
[0019]
最优选地，所述的分散剂b具体通过如下方法制备得到：
[0020]
在100重量份的聚合醇胺中加入8～15重量份的3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐，在氮气环境下，于150～200℃搅拌反应6～10h，即得所述的分散剂b。
[0021]
发明人在研究中发现，常规的分散剂并不能将碳纳米管有效的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，加入碳纳米管后增强效果不显著。为了将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，本发明采用全新方法制备分散剂a和分散剂b，将分散剂a和b组合得到的复合分散剂可以有效的将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，在使用相同量碳纳米管的条件下，采用由分散剂a和b组合得到的复合分散剂可以大幅提高由聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维制成的高分子材料的弯曲强度。
[0022]
本发明还提供一种上述碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备方法，其包含如下步骤：
[0023]
将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0024]
有益效果：与发明专利201610422740.3相比，本发明在高分子材料的制备过程中加入了碳纳米管用于增强高分子材料的弯曲强度。同时加入了由全新方法制备得到的分散剂a和b组合得到的复合分散剂，所述的复合分散剂中的散剂a和b发挥协同分散作用，可以有效的将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，在使用相同量碳纳米管的条件下，采用由分散剂a和b组合得到的复合分散剂可以大幅提高制备得到的高分子材料的弯曲强度。此外，采用本发明所述的复合分散剂后，在制备高分子材料过程中无需加入其它助剂，减少了制备过程中的加料步骤，提高了生产效率，节约了生产成本。
具体实施方式
[0025]
以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
[0026]
以下实施例中使用的桉木纤维和棉杆纤维的长径比为15；碳纳米管购自深圳市中森领航科技有限公司的多壁碳纳米管(碳管长度15-30um，碳管直径为3-15nm)；聚合醇胺购自洛阳宏恩新型建材有限公司的型号为he
-ⅲ
的聚合醇胺；所述的聚乙烯醇购自台湾长春化工牌号为bp-24的聚乙烯醇；其它未注明的原料均为本领域技术人员可以市购可以获得的原料。
[0027]
实施例1碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0028]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0029]
所述的分散剂由质量比为1：3的分散剂a和分散剂b组成；所述的分散剂a具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入15重量份的4,4-氧双邻苯二甲酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂a。所述的分散剂b具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入12重量份的3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂b。
[0030]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0031]
实施例2碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0032]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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20份；桉木纤维
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30份；棉杆纤维
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50份；碳纳米管
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2份；分散剂
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1份。
[0033]
所述的分散剂由质量比为1：2的分散剂a和分散剂b组成；所述的分散剂a具体通过如下方法制备得到：在100份重量份的聚合醇胺中加入20重量份的4,4-氧双邻苯二甲酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂a。所述的分散剂b具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入15重量份的3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂b。
[0034]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0035]
实施例3碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0036]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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40份；桉木纤维
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50份；棉杆纤维
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30份；碳纳米管
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3份；分散剂
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2份。
[0037]
所述的分散剂由质量比为1：4的分散剂a和分散剂b组成；所述的分散剂a具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入12重量份的4,4-氧双邻苯二甲酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂a。所述的分散剂b具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入8重量份的3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂b。
[0038]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0039]
对比例1碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0040]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0041]
所述的分散剂为分散剂a；所述的分散剂a具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入15重量份的4,4-氧双邻苯二甲酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂a。
[0042]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0043]
对比例1与实施例1的区别在于仅仅使用了分散剂a。
[0044]
对比例2碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0045]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0046]
所述的分散剂为分散剂b；所述的分散剂b具体通过如下方法制备得到：在100重量份的聚合醇胺中加入12重量份的3-叔丁基二甲硅氧基戊二酸酐，在氮气环境下，于180℃搅拌反应8h，即得所述的分散剂b。
[0047]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0048]
对比例2与实施例1的区别在于仅仅使用了分散剂b。
[0049]
对比例3碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0050]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0051]
所述的分散剂为乙撑双月桂酸酰胺。
[0052]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0053]
对比例3与实施例1的区别在于分散剂采用了常规的乙撑双月桂酸酰胺。
[0054]
对比例4碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0055]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0056]
所述的分散剂为硬脂酸钙。
[0057]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0058]
对比例4与实施例1的区别在于分散剂采用了常规的硬脂酸钙。
[0059]
对比例5碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0060]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份；分散剂
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1份。
[0061]
所述的分散剂为聚合醇胺。
[0062]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维、碳纳米管以及分散剂混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0063]
对比例5与实施例1的区别在于分散剂采用了分散剂a和b的制备原料聚合醇胺。
[0064]
对比例6碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的制备
[0065]
原料重量份组成：聚乙烯醇
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25份；桉木纤维
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40份；棉杆纤维
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35份；碳纳米管
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1份。
[0066]
制备方法：将聚乙烯醇、桉木纤维、棉杆纤维以及碳纳米管混合均匀后，放入双螺杆挤出机中熔融挤出即得所述的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料。
[0067]
对比例6与实施例1的区别在于不使用分散剂。
[0068]
实验例
[0069]
将实施例1～3以及对比例1～6制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料加入注塑机中注射成样条，参照gb/t 9341-2008测试其弯曲强度，测试结果见表1。
[0070]
表1.碳纳米管掺杂植纤类高分子材料弯曲强度测试
[0071][0072][0073]
由表1弯曲强度测试结果可以看出，实施例1～3制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料其弯曲强度在80mpa以上，比对比例6不加入本发明分散剂制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料高出一倍以上；这说明加入本发明分散剂a和分散剂b组成的复合分散剂后可以大幅提高碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度。与发明专利201610422740.3相比，比其最高值39.53mpa也高出了一倍以上，取得了显著的进步。
[0074]
由表1试验数据可以看出，实施例1制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度要高于对比例1和2制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度，这说明单独使用由本发明所述方法制备得到的分散剂a和分散剂b其对碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的增强作用要小于使用由分散剂a和分散剂b组成的复合分散剂；由分散剂a和分散剂b组成的复合分散剂可以产生协同分散作用，可以将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，进一步提高了碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度。
[0075]
由表1试验数据可以看出，实施例1制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度要远远高于对比例3和4制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度，这说明常规的分散剂并不能将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，在使用相同量碳纳米管的条件下，采用由分散剂a和b组合得到的复合分散剂可以大幅提高碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度。
[0076]
由表1试验数据可以看出，实施例1制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度要远远高于对比例5制备得到的碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度，这说明分散剂a和b的制备原料聚合醇胺并不能将碳纳米管充分的分散在聚乙烯醇、桉木纤维以及棉杆纤维中，不能有效的提高碳纳米管掺杂植纤类高分子材料的弯曲强度。

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