一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法.pdf

本发明涉及一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法，以碳纳米管、聚醚醚酮为原料，先对碳纳米管进行酸化、胺化处理，通过溶液共混法合成碳纳米管/聚醚醚酮复合材料，碳纳米管均匀分散在聚醚醚酮基体中，有效提高了聚醚醚酮的强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能，降低了复合材料的摩擦系数，此制备方法工艺先进合理，数据翔实准确，产物质量好，纯度高，达98％，制备的聚醚醚酮基体复合材料可在多种工业领域应用，是十分理想的聚醚醚酮复合材料的增强制备方法。

1.  一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：碳纳米管、聚醚醚酮、硫酸、硝酸、乙醇胺、N,N’-二环己基碳二亚胺、N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位

制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度、浓度控制：


(2)研磨、过筛、细化处理碳纳米管
将碳纳米管用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，研磨、过筛重复进行，研磨过筛后成细粉；
(3)氧化处理碳纳米管
氧化处理碳纳米管是在三口烧瓶中进行的，是在超声波分散仪内，在加热、超声分散过程中完成的；
①开启超声波分散仪，超声波频率为50kHz，加热温度至50℃±2℃；称取碳纳米管3g±0.001g，量取硫酸180mL±1mL、硝酸60mL±1mL,加入三口烧瓶中；
②将三口烧瓶置于超声波分散仪中进行超声分散，超声分散时间120min±2min，成氧化物溶液；
碳纳米管在氧化反应过程中将进行化学反应，反应式如下：

式中：C-COOH：含羧基的氧化碳纳米管
SO₂：二氧化硫
NO₂：二氧化氮
CO₂：二氧化碳
③氧化反应后，关闭超声波分散仪，三口烧瓶内的氧化物溶液随瓶冷却至25℃；然后将氧化物溶液置于烧杯中，加入去离子水1000mL，成混合液，静置12h；
④抽滤，将混合液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，滤液抽至滤瓶中，弃掉；
⑤洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入去离子水300mL，搅拌洗涤5min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑥真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间24h，干燥后得：含羧基的氧化碳纳米管；
(4)制备胺化碳纳米管
制备胺化碳纳米管是在三口烧瓶中进行的，是在水浴、加热、超声分散过程中完成的；
①称取含羧基的氧化碳纳米管0.3g±0.001g、N,N-二环己基碳二亚胺0.1g±0.001g，量取无水乙醇75mL±0.1mL，加入三口烧瓶中；
②将三口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于超声波分散仪上，水浴缸内的水浴水要淹没三口烧瓶体积的4/5；
③开启超声波分散仪，进行超声分散，超声波频率50KHz，超声分散时间20min；
④开启超声波分散仪加热器，加热温度50℃±2℃，并恒温保温 30min；
⑤量取乙醇胺0.3mL±0.001mL、无水乙醇75mL±0.1mL，加入三口烧瓶中，搅拌10min，继续进行超声分散10h，成混合溶液；
⑥混合溶液在加热、搅拌、超声分散过程中将发生化学反应；
乙醇胺对碳纳米管进行修饰改性过程中将发生化学反应，反应式如下：

式中：C-COO(CH₂)₂NH₂：胺化碳纳米管
反应后关闭加热器，使混合溶液随瓶冷却至25℃；
⑦抽滤，将冷却后的混合溶液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去滤液；
⑧无水乙醇洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入无水乙醇200mL，搅拌洗涤10min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑨去离子水洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入去离子水200mL，搅拌洗涤10min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑩真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间24h，干燥后得胺化碳纳米管；
(5)制备胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料
①干燥处理聚醚醚酮，将聚醚醚酮100g±0.001g置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间12h；
②称取聚醚醚酮7.2g±0.001g、胺化碳纳米管0.3g±0.001g，量取N,N-二甲基甲酰胺20mL±1mL，加入烧杯中，搅拌混合30min，成混合液；
③将盛有混合液的烧杯置于加热皿上，进行加热，加热温度30℃±1℃，加热时间30min，成糊状混合物；
④干燥，将糊状混合物置于条形石英容器中，然后置于干燥箱中，干燥温度80℃，干燥时间12h，干燥后成条状产物；
⑤切粒，将条状产物置于切粒机上进行切制，切制后为≤10mm×2mm×6mm的条形颗粒，即为碳纳米管/聚醚醚酮复合材料；
⑥真空干燥，将碳纳米管/聚醚醚酮条形颗粒置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间12h，干燥后为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料；
(6)检测、分析、表征
对制备的胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的形貌、结构、成分、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；
用场发射扫描电子显微镜进行形貌分析；
用红外光谱仪进行表面官能团分析；
用热重分析仪进行热稳定性分析；
用动态力学分析仪进行动态力学性能分析；
用摩擦试验机进行摩擦性能分析；
结论：胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料为黑色条形状颗粒，尺寸为≤10mm×2mm×6mm，表面光滑，复合材料的摩擦系数可降低12％，产物纯度达98％；
(7)产物储存
对制备的胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，要防水、防晒、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

2.  根据权利要求1所述的一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于：制备胺化碳纳米管是在三口烧瓶里进行的，是在水浴加热、超声波分散过程中完成的；超声波分散仪(1)上部设置水浴缸(7)，在水浴缸(7)上部置放三口烧瓶(9)，并由固定架(8)固定，水浴缸(7)内为水浴水(11)，水浴水(11)要淹没三口烧瓶(9)体积的4/5，三口烧瓶(9)上部由左至右依次设置加液漏斗(13)及控制阀(14)、搅拌器(10)、水循环冷凝管(15)及进水口(16)、出水口(17)、出气口(18)，三口烧瓶(9)内为混合溶液(12)；在超声波分散仪(1)上设置显示屏(2)、指示灯(6)、搅拌控制器(5)、加热温度控制器(4)、超声波控制器(3)、电源开关(19)。

一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备方法，属碳材料/聚合物复合材料的制备及应用的技术领域。
背景技术
聚合物基复合材料是一种理想的摩擦材料，聚醚醚酮是特种工程塑料中最常用的材料，与其它工程塑料相比，聚醚醚酮具有耐高温、强度高、韧性好、刚性好、自润滑性好、耐腐蚀性好、具有阻燃性、易于加工、具有绝缘性、耐磨性，这使得聚醚醚酮树脂在航空航天、汽车工业、机械工业、电子电器及医疗器械领域有着广阔的应用前景，但是纯聚醚醚酮树脂脆性大、剪切性能差、使用温度低，且价格昂贵，限制了它的应用范围。
针对聚醚醚酮的化学物理性能的缺陷，常采用掺杂其他化学物质的方法，但由于选用物质不合理、技术参数不准确、制备方法不严密，使聚醚醚酮的性能不稳定，达不到实用要求。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的实际情况，采用碳纳米管与聚醚醚酮进行溶液共混，通过碳纳米管的氧化处理、改性修饰，与聚醚醚酮溶液共混制成复合材料，以大幅度提高聚醚醚酮的化学物理性能，增强耐酸、耐碱性和耐摩擦性能，扩大聚醚醚酮的应用范围。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：碳纳米管、聚醚醚酮、硫酸、硝酸、乙醇胺、N,N-二环己基碳二亚胺、N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位

制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度、浓度控制：


(2)研磨、过筛、细化处理碳纳米管
将碳纳米管用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，研磨、过筛重复进行，研磨过筛后成细粉；
(3)氧化处理碳纳米管
氧化处理碳纳米管是在三口烧瓶中进行的，是在超声波分散仪内，在加热、超声分散过程中完成的；
①开启超声波分散仪，超声波频率为50kHz，加热温度至50℃±2℃；称取碳纳米管3g±0.001g，量取硫酸180mL±1mL、硝酸60mL±1mL,加入三口烧瓶中；
②将三口烧瓶置于超声波分散仪中进行超声分散，超声分散时间120min±2min，成氧化物溶液；
碳纳米管在氧化反应过程中将进行化学反应，反应式如下：

式中：C-COOH：含羧基的氧化碳纳米管
SO₂：二氧化硫
NO₂：二氧化氮
CO₂：二氧化碳
③氧化反应后，关闭超声波分散仪，三口烧瓶内的氧化物溶液 随瓶冷却至25℃；然后将氧化物溶液置于烧杯中，加入去离子水1000mL，成混合液，静置12h；
④抽滤，将混合液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，滤液抽至滤瓶中，弃掉；
⑤洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入去离子水300mL，搅拌洗涤5min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑥真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间24h，干燥后得：含羧基的氧化碳纳米管；
(4)制备胺化碳纳米管
制备胺化碳纳米管是在三口烧瓶中进行的，是在水浴、加热、超声分散过程中完成的；
①称取含羧基的氧化碳纳米管0.3g±0.001g、N,N-二环己基碳二亚胺0.1g±0.001g，量取无水乙醇75mL±0.1mL，加入三口烧瓶中；
②将三口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于超声波分散仪上，水浴缸内的水浴水要淹没三口烧瓶体积的4/5；
③开启超声波分散仪，进行超声分散，超声波频率50KHz，超声分散时间20min；
④开启超声波分散仪加热器，加热温度50℃±2℃，并恒温保温30min；
⑤量取乙醇胺0.3mL±0.001mL、无水乙醇75mL±0.1mL，加入三口烧瓶中，搅拌10min，继续进行超声分散10h，成混合溶液；
⑥混合溶液在加热、搅拌、超声分散过程中将发生化学反应；
乙醇胺对碳纳米管进行修饰改性过程中将发生化学反应，反应式如下：

式中：C-COO(CH₂)₂NH₂：胺化碳纳米管
反应后关闭加热器，使混合溶液随瓶冷却至25℃；
⑦抽滤，将冷却后的混合溶液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去滤液；
⑧无水乙醇洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入无水乙醇200mL，搅拌洗涤10min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑨去离子水洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入去离子水200mL，搅拌洗涤10min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液，洗涤、抽滤重复进行三次；
⑩真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间24h，干燥后得胺化碳纳米管；
(5)制备胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料
①干燥处理聚醚醚酮，将聚醚醚酮100g±0.001g置于石英容器 中，然后置于真空干燥箱中，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间12h；
②称取聚醚醚酮7.2g±0.001g、胺化碳纳米管0.3g±0.001g，量取N,N-二甲基甲酰胺20mL±1mL，加入烧杯中，搅拌混合30min，成混合液；
③将盛有混合液的烧杯置于加热皿上，进行加热，加热温度30℃±1℃，加热时间30min，成糊状混合物；
④干燥，将糊状混合物置于条形石英容器中，然后置于干燥箱中，干燥温度80℃，干燥时间12h，干燥后成条状产物；
⑤切粒，将条状产物置于切粒机上进行切制，切制后为≤10mm×2mm×6mm的条形颗粒，即为碳纳米管/聚醚醚酮复合材料；
⑥真空干燥，将碳纳米管/聚醚醚酮条形颗粒置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃，真空度10Pa，干燥时间12h，干燥后为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料；
(6)检测、分析、表征
对制备的胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的形貌、结构、成分、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；
用场发射扫描电子显微镜进行形貌分析；
用红外光谱仪进行表面官能团分析；
用热重分析仪进行热稳定性分析；
用动态力学分析仪进行动态力学性能分析；
用摩擦试验机进行摩擦性能分析；
结论：胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料为黑色条形状颗粒，尺寸为≤10mm×2mm×6mm，表面光滑，复合材料的摩擦系数可降低12％，产物纯度达98％；
(7)产物储存
对制备的胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，要防水、防晒、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，以碳纳米管、聚醚醚酮为原料，先对碳纳米管进行氧化、胺化处理，通过溶液共混法合成胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料，胺化碳纳米管均匀分散在聚醚醚酮基体中，得到分散均匀的复合材料，提高了聚醚醚酮的强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能，可降低复合材料的摩擦系数，此制备方法工艺严密、先进合理，数据翔实准确，产物纯度好，制备的聚醚醚酮可在多种工业领域应用，是十分理想的聚醚醚酮复合材料的增强制备方法。
附图说明
图1制备胺化碳纳米管状态图
图2胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料放大10000倍扫描形貌图
图3胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料动态力学性能曲线图
图4胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料摩擦性能曲线图
图1中所示，附图标记清单如下：
1、超声波分散仪，2、显示屏，3、超声波控制器，4、加热温度控制器，5、搅拌控制器，6、指示灯，7、水浴缸，8、固定架，9、三口烧瓶，10、搅拌器，11、水浴水，12、混合溶液，13、加液漏斗，14、控制阀，15、水循环冷凝管，16、进水口，17、出水口，18、出气口，19、电源开关。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为制备胺化碳纳米管状态图，各部位置、连接关系要正确、按量配比、按序操作。
制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升为计量单位。
制备胺化碳纳米管是在三口烧瓶里进行的，是在水浴、加热、超声波分散过程中完成的；
超声波分散仪1上部设置水浴缸7，在水浴缸7上部置放三口烧瓶9，并由固定架8固定，水浴缸7内为水浴水11，水浴水11要淹没三口烧瓶9体积的4/5，三口烧瓶9上部由左至右依次设置加液漏斗13及控制阀14、搅拌器10、水循环冷凝管15及进水口16、出水口17、出气口18，三口烧瓶9内为混合溶液12；在超声波分散仪1上设置显示屏2、指示灯6、搅拌控制器5、加热温度控制器4、超声波控制器3、电源开关19。
图2所示，为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料放大10000倍形貌图，图中可知：胺化碳纳米管均匀分散在聚醚醚酮基体中，标尺单 位1μm。
图3所示，为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料动态力学性能曲线图，纵坐标为温度、横坐标为储能模量，a曲线为聚醚醚酮的储能模量曲线，b曲线为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的储能模量曲线，复合材料b温度由-100℃升高至软化温度之前，储能模量明显高于聚醚醚酮的储能模量。
图4所示，为胺化碳纳米管/聚醚醚酮复合材料摩擦学性能曲线图，纵坐标为摩擦系数、横坐标为磨损时间，c曲线为聚醚醚酮的摩擦系数曲线，d曲线为碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的摩擦系数曲线，复合材料d的平均摩擦系数降低了12％，复合材料的耐磨性能明显提高。