專利名稱：聚合物基碳納米管取向增強功能材料及其制備方法、裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管復合材料的制備技術領域。
背景技術：
碳納米管(CNTs)自從1991年發(fā)現(xiàn)以來，以其特有的力學、電學和化學性能以及獨特的準一維管狀分子結構和在未來高科技領域中所具有的許多潛在應用價值，迅速成為化學、物理及材料科學領域的研究熱點，是21世紀最有前途的納米材料之一。碳納米管具有很高的長徑比，一般大于1000，具有與金剛石相同的熱導和力學性能，優(yōu)良的強度、模量、延伸率、彎曲性和耐強酸強堿性，又具有納米尺寸，因此可以作為“超級纖維”來增強復合材料。碳納米管與聚合物的復合可以實現(xiàn)組元材料的優(yōu)勢互補或加強，最經(jīng)濟有效地利用碳納米管的獨特性能，聚合物基碳納米管復合材料在信息材料、生物醫(yī)用材料、隱身材料、催化劑、高性能結構材料、多功能材料等方面有著廣闊的應用前景。目前碳納米管復合材料的主要制備方法有熔融共混法、溶液共混法和原位聚合法。熔融共混法是把碳納米管與聚合物基體材料在大于基體材料熔點的溫度下熔融并混合均與而得到聚合物基碳納米管復合材料。溶液共混法是把碳納米管分散到聚合物的良容易讓中，再將聚合物溶入其中，而后加工成型并將溶劑清除，得到復合材料。原位聚合法是利用碳納米管表面的官能團參與聚合或利用引發(fā)劑打開碳納米管的η鍵，使其參與聚合反應而達到與有機相的良好相容。
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由于碳納米管徑向的納米級尺寸和高的表面能導致其在聚合物中容易團聚，分散性較差，不僅降低了碳納米管的有效長徑比，而且容易造成管與管之間的滑移，使得碳納米管的增強效果變差。除了分散性外，碳納米管在聚合物中的取向對復合材料的微觀力學性能也有較大的影響。由以上制備方法得到的復合材料中碳納米管都是均勻分散在聚合物基體中，這樣雖然提高了材料的力學性能，獲得了質量均勻的復合材料，但是由于碳納米管間沒有形成良好的導電網(wǎng)絡，有些相鄰的碳納米管之間間距較大，相互間接觸性較差，因而不能充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)良導電性及導熱性能，造成了碳納米管的極大浪費，增加了復合材料及制品的成本。此外，傳統(tǒng)的聚合物基碳納米管復合材料的制備方法無法實現(xiàn)對復合材料微觀結構的人為調節(jié)和控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種碳納米管均勻分散、一致取向的增強功能型復合材料。本發(fā)明由高分子材料與功能材料交替層疊而成。所述高分子材料為聚丙烯。所述功能材料為聚丙烯與碳納米管的共混物。本發(fā)明是將兩種不同的高分子材料或其他材料按一定的層間距及層厚比交互重疊形成的多層復合材料，其中碳納米管以連續(xù)或不連續(xù)形式分布、取向于基體材料中，產(chǎn)生協(xié)同效應，從而把兩種材料的性能充分地體現(xiàn)出來。由于高分子材料和碳納米管在層疊流道中受到雙向拉伸作用，高分子材料的長分子鏈得到拉伸，碳納米管得到一致取向，獲得的層疊復合材料具有優(yōu)異的力學性能和導電性能，同時該高分子復合材料結構簡單，選用的材料常見，工藝容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明另一目的是提出用于生產(chǎn)以上產(chǎn)品的裝置:
該裝置包括至少兩個塑化供料裝置、一個匯流器、一個層疊取向模具和一個成型裝置，各個塑化供料裝置分別連接在匯流器的兩個進料口上，匯流器的出料口連接在層疊取向模具的入口端上，層疊取向模具的出口端與成型裝置的進口端連接；層疊取向模具設有相互連接，且呈90 °夾角的入口熔體通道和出口熔體通道，所述入口熔體通道和出口熔體通道的尺寸相同。通過以上裝置才能實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，獲得聚合物基碳納米管取向增強功能材料。本發(fā)明的第三個目的是提出聚合物基碳納米管取向增強功能材料的制備方法: 將高分子材料與功能材料通過匯流器將來自η個塑化裝置的η層熔體疊合成一層，匯
流器與層疊取向模具對接，復合熔體在離開匯流器進入層疊取向模具的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等份,每一等份在層疊取向模具中繼續(xù)向前流動并旋轉90°同時展寬m倍，厚度減薄到Ι/m倍，成為分支熔體，在此過程中高分子材料和功能材料由于雙向拉伸作用得到取向，分支熔體在出口端相互匯流成為2Xm層的出口熔體，層疊取向模具入口熔體通道尺寸與旋轉90°的出口熔體通道尺寸相同；其中，所述高分子材料為聚丙烯；所述功能材料為聚丙烯與碳納米管的共混物和m分別為不小于2的整數(shù)。在展寬和變薄再層疊的過程中，高分子材料和功能材料得到取向，因而獲得的層狀高分子復合材料具有優(yōu)異的力學性能和導電性能。本發(fā)明的有益效果是:選用的高分子基體材料來源廣泛，成本低，且復合材料的制備過程極大的減小了碳納米管的用量，降低了材料成本；經(jīng)過取向的高分子材料和功能材料具有高導電性、優(yōu)良力學性能。另外，如串聯(lián)k個同樣的層疊取向模具，則可得到nXmk層的高分子復合材料，最后一個層疊取向模具的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型口模得到具有交替結構的多層高分子復合材料；其中，k為不小于I的整數(shù)。


圖1是本發(fā)明聚合物基碳納米管取向增強功能材料截面形貌結構示意圖。圖2是本發(fā)明的生產(chǎn)裝置的結構示意圖。圖3是本發(fā)明的層疊取向模具的流道示意圖。圖4是本發(fā)明聚合物基碳納米管取向增強功能材料層疊復合原理示意圖。
具體實施方式
一、生產(chǎn)裝置:
如圖2、3所示，本發(fā)明生產(chǎn)裝置主要由兩個塑化供料裝置1、匯流器2、層疊取向模具3和成型裝置4組成。
層疊取向模具3入口熔體通道尺寸與旋轉90°的出口熔體通道尺寸相同。兩個塑化供料裝置I分別連接在匯流器2的兩個進料口上，匯流器2的出料口連接在層疊取向模具3的入口端上，層疊取向模具3的出口端與成型裝置4的進口端連接。二、制備工藝:
先將聚丙烯(PP)，也可以是其它常規(guī)的高分子材料，與碳納米管共混，形成PP與碳納米管的共混物，待用。將PP (也可以是其它常規(guī)的高分子材料)裝于一個塑化供料裝置I中，將PP與碳納米管的共混物裝于另一個塑化供料裝置I中。開動設備，使來自兩個塑化供料裝置I的2層高分子熔體疊合成一片，經(jīng)層疊取向模具3，使復合熔體進 入層疊取向模具3的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分在層疊取向模具3中繼續(xù)向前流動時旋轉90°并且展寬m倍，厚度減薄到Ι/m倍，成為分支熔體，分支熔體在層疊取向模具3的出口端相互匯流成為2Xm層的出口熔體。如果串聯(lián)k個同樣的層疊取向模具，則可得到nXmk層的高分子復合材料，最后一個層疊取向模具3的熔體在出口不再分割，與成型口模連接后經(jīng)過成型口模得到具有交替結構的多層高分子復合材料。以上的η和m分別為不小于2的整數(shù)，k為不小于I的整數(shù)。如圖4所示，本發(fā)明聚合物基碳納米管取向增強功能材料層疊復合原理，其中，4-1為入口熔體；4-2為分支熔體；4-3為出口熔體。例如，如果采用四等分的層疊流道，串聯(lián)5個同樣的層疊取向模具，則可得到2X45層的高分子膜；如果高分子熔體從厚度為Imm的口模擠出，則高分子復合材料的平均膜層厚度可達到納米級，滿足高分子復合材料對膜層厚度的要求；高分子復合材料中每層膜的膜厚以及膜層之間的厚度比可根據(jù)需要通過調整螺桿轉速來控制。三、以本發(fā)明工藝生產(chǎn)的聚合物基碳納米管取向增強功能材料截面形貌結構如圖1所示:
由高分子材料與功能材料交替層疊而成。其中，1-1為高分子材料層，1-2為由高分子材料與碳納米管的共混物形成的功能材料層。
權利要求
1.一種聚合物基碳納米管取向增強功能材料，其特征在于:由高分子材料與功能材料交替層疊而成。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚合物基碳納米管取向增強功能材料，其特征在于:所述高分子材料為聚丙烯。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種聚合物基碳納米管取向增強功能材料，其特征在于:所述功能材料為聚丙烯與碳納米管的共混物。
4.一種生產(chǎn)聚合物基碳納米管取向增強功能材料的生產(chǎn)裝置，其特征在于:包括至少兩個塑化供料裝置、一個匯流器、一個層疊取向模具和一個成型裝置，各個塑化供料裝置分別連接在匯流器的兩個進料口上，匯流器的出料口連接在層疊取向模具的入口端上，層疊取向模具的出口端與成型裝置的進口端連接；層疊取向模具設有相互連接，且呈90°夾角的入口熔體通道和出口熔體通道，所述入口熔體通道和出口熔體通道的尺寸相同。
5.一種聚合物基碳納米管取向增強功能材料的制備方法，其特征在于:將高分子材料與功能材料通過匯流器 將來自η個塑化裝置的η層熔體疊合成一層，復合熔體在離開匯流器進入層疊取向模具的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等份，每一等份在層疊取向模具中繼續(xù)向前流動并旋轉90°同時展寬m倍，厚度減薄到Ι/m倍，成為分支熔體，在此過程中高分子材料和功能材料由于雙向拉伸作用得到取向，分支熔體在出口端相互匯流成為2Xm層的出口熔體，層疊取向模具入口熔體通道尺寸與旋轉90°的出口熔體通道尺寸相同；其中，所述高分子材料為聚丙烯；所述功能材料為聚丙烯與碳納米管的共混物；n和m分別為不小于2的整數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于:串聯(lián)k個同樣的層疊取向模具，則可得到nXmk層的高分子復合材料，最后一個層疊取向模具的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型口模得到具有交替結構的多層高分子復合材料；其中，k為不小于I的整數(shù)。
全文摘要
聚合物基碳納米管取向增強功能材料及其制備方法、裝置，涉及一種碳納米管復合材料的制備技術領域。將高分子材料與功能材料通過匯流器將來自不同塑化裝置的多層熔體疊合成一層，復合熔體在離開匯流器進入層疊取向模具的入口熔體沿寬度方向平均分割成m等份，每一等份在層疊取向模具中繼續(xù)向前流動并旋轉90°同時展寬m倍，厚度減薄到1/m倍，成為分支熔體，在此過程中高分子材料和功能材料由于雙向拉伸作用得到取向，分支熔體在出口端相互匯流成為2×m層的出口熔體，獲得由高分子材料與功能材料交替層疊而成的復合材料，具有優(yōu)異的力學性能和導電性能。
文檔編號C08L23/12GK103214730SQ20131009050
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權日2013年3月21日
發(fā)明者閻華 , 楊衛(wèi)民, 王景清, 焦志偉, 謝四海, 李長金 申請人:江蘇金材科技股份有限公司, 北京化工大學