一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其是涉及一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料及其制备方法。
背景技术
PA9T(聚酰胺9T)是一种从原料单体开发出来的熔点为306℃的聚酰胺类工程塑料。具有卓越的耐热性、耐药品性、耐摩擦性的成形材料。与标准尼龙相比，在更高的温度下仍然保持有效的强度和韧性，热稳定性极高，吸水率为标准尼龙的40％以下，出色的性能使之广泛用于电子电气等市场。然而，在满足人们生活需求的同时，因所使用材料外观光泽度差、本身不具备电磁屏蔽功能，使得电磁波在人们日常生活中广泛存在，造成了电磁污染、电磁干扰、泄密等棘手问题，妨碍了电子信息工业稳定发展。有效解决这一问题的方案，是研发出能够吸收特定频段电磁波的材料，因此吸波材料在民事领域具有广泛的应用前景。AS代表丙烯腈-苯乙烯树脂,用于壶、杯、奶瓶等,透明度、安全性高、耐摔，不耐用。
石墨烯是一种由碳原子sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，被认为是一种未来革命性的材料。碳纳米纤维是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料，具有较高的结晶取向度、较好的导电导热性能。目前，国内外还没关于将石墨烯和碳纳米纤维复合到AS/PA9T材料中的相关研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有优异的力学性能基础上，还具有高光泽度，能够吸收特定频段电磁波，达到电磁屏蔽作用的高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯0.5-2.5份、碳纳米纤维0.5-2.5份、分散剂3份、N-甲基吡咯烷酮100份、对苯二甲酸47.84-49.92份、壬二胺44.16-46.08份和AS纯树脂30份。
上述高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯和碳纳米纤维混合后，加入分散剂，经研磨得纳米碳材料复配体；
(2)将纳米碳材料复配体超声激荡分散在N-甲基吡咯烷酮中，然后加入对苯二甲酸和壬二胺进行高速搅拌，经原位聚合反应一段时间后，脱水缩聚生成PA9T复合材料；
(3)将PA9T复合材料与干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，其中各原料及其具体重量份数如下：石墨烯0.5-2.5份、碳纳米纤维0.5-2.5份、分散剂3份、N-甲基吡咯烷酮100份、对苯二甲酸47.84-49.92份、壬二胺44.16-46.08份和AS纯树脂30份。
步骤(1)中所述的石墨烯为纯石墨烯粉体，层数为1-10层，比表面积为100-2000m2/g；所述的碳纳米纤维为纯碳纳米纤维，其直径为10-500nm；所述的分散剂为N-甲基吡咯烷酮、DMF、DMA、工业级白油、EBS、硬脂酸锌、乙醇和苯乙烯中的一种或几种。
步骤(2)中所述的超声激荡分散具体为大功率超声和高速搅拌的组合方式，所述的超声功率为500-2000w，搅拌速度为500-2000r/min，分散时间为10-20分钟。
步骤(2)中所述的脱水缩聚过程为将聚合物放置在120℃的烘箱中处理4小时。
步骤(3)中所述的挤出机的长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料及其制备方法，将石墨烯与碳纳米纤维进行复配，并与适量的分散剂进行研磨处理，使得石墨烯和碳纳米纤维达到良好的复配效果，而不是简单的共混，更有利于石墨烯与碳纳米纤维互相穿插于AS/PA9T复合体重形成网状结构，各成分相互协同，进一步增强AS/PA9T复合体的抗拉伸、抗冲击和抗弯曲强度。采用原位聚合和熔融共混相配合的方法，可以使石墨烯与碳纳米纤维在聚合物基体中有效分散，纳米碳材料能够在聚合物基体中均匀分散是能够得到性能优异复合体材料的前提。这是单一原位聚合法或溶液共混法或熔融共混法很难达到的，从而实现石墨烯/碳纳米纤维/聚合物基体AS/PA9T间的良好物理、化学结合作用进一步增强AS/PA9T复合体的强度、高光泽度和抗辐射性。
综上所述，本发明一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料及其制备方法，采用纳米碳材料的复配体，由于其本身在基体中起到极佳的分散和相容作用，从而制备出高性能、适合工业化大规模生产的AS/PA9T复合材料。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
一、具体实施例
实施例1
一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯0.5份、碳纳米纤维0.5份、分散剂3份、对苯二甲酸49.92份、壬二胺46.08份和AS纯树脂30份，其制备方法包括以下步骤：
(1)将0.5重量份的层数为1层、比表面积为100m2/g的石墨烯粉体与0.5重量份直径为10nm的碳纳米纤维混合后，加入分散剂N-甲基吡咯烷酮、EBS和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)在氮气保护下，将纳米碳材料复配体超声震荡分散在100重量份的N-甲基吡咯烷酮中后，加入49.92重量份的对苯二甲酸和46.08重量份的壬二胺，室温下高速搅拌进行原位聚合反应，聚合物沉淀析出，将聚合物放置在120℃烘箱中4小时后，得到PA9T复合材料，其中超声功率为500w，搅拌速度为500r/min，分散时间为10分钟；
(3)将PA9T复合材料与30份干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，烘干并注塑，其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，注塑机料筒温度为310-320℃，模具温度为130-140℃，注塑温度为290-300℃，注塑压力为70-80Mpa，背压为2-5Mpa注塑制备所需测试样条。
实施例2
一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯1份、碳纳米纤维1份、分散剂3份、对苯二甲酸49.40份、壬二胺45.6份和AS纯树脂30份，其制备方法包括以下步骤：
(1)将1重量份的层数为10层、比表面积为2000m2/g的石墨烯粉体与1重量份直径为500nm的碳纳米纤维混合后，加入分散剂DMF、EBS和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)在氮气保护下，将纳米碳材料复配体超声震荡分散在100重量份的N-甲基吡咯烷酮中后，加入49.40重量份的对苯二甲酸和45.60重量份的壬二胺，室温下高速搅拌进行原位聚合反应，聚合物沉淀析出，将聚合物放置在120℃烘箱中4小时后，得到PA9T复合材料，其中超声功率为2000w，搅拌速度为2000r/min，分散时间为20分钟；
(3)将PA9T复合材料与30份干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，烘干并注塑。其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，注塑机料筒温度为320-330℃，模具温度为140-150℃，注塑温度为300-310℃，注塑压力为80-100Mpa，背压为5-10Mpa注塑制备所需测试样条。
实施例3
一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯1.5份、碳纳米纤维1.5份、分散剂3份、对苯二甲酸48.88份、壬二胺45.12份和AS纯树脂30份，其制备方法包括以下步骤：
(1)将1.5重量份的层数为5层、比表面积为1000m2/g的石墨烯粉体与1.5重量份直径为200nm的碳纳米纤维混合后，加入分散剂DMA、EBS和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)在氮气保护下，将纳米碳材料复配体超声震荡分散在100重量份的N-甲基吡咯烷酮中后，加入48.88重量份的对苯二甲酸和45.12重量份的壬二胺，室温下高速搅拌进行原位聚合反应，聚合物沉淀析出，将聚合物放置在120℃烘箱中4小时后，得到PA9T复合材料，其中超声功率为1000w，搅拌速度为1000r/min，分散时间为15分钟；
(3)将PA9T复合材料与30份干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，烘干并注塑。其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，注塑机料筒温度为310-320℃，模具温度为130-140℃，注塑温度为290-300℃，注塑压力为70-80Mpa，背压为2-5Mpa注塑制备所需测试样条。
实施例4
一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯2份、碳纳米纤维2份、分散剂3份、对苯二甲酸48.36份、壬二胺44.64份和AS纯树脂30份，其制备方法包括以下步骤：
(1)将2重量份的层数为5层、比表面积为1000m2/g的石墨烯粉体与2重量份直径为200nm的碳纳米纤维混合后，加入分散剂工业级白油、EBS和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)在氮气保护下，将纳米碳材料复配体超声震荡分散在100重量份的N-甲基吡咯烷酮中后，加入48.36重量份的对苯二甲酸和44.64重量份的壬二胺，室温下高速搅拌进行原位聚合反应，聚合物沉淀析出，将聚合物放置在120℃烘箱中4小时后，得到PA9T复合材料，其中超声功率为1000w，搅拌速度为1000r/min，分散时间为15分钟；
(3)将PA9T复合材料与30份干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，烘干并注塑。其中挤出机长径比为45，温度为280—330℃，螺杆转速为450r/min，注塑机料筒温度为310-320℃，模具温度为130-140℃，注塑温度为290-300℃，注塑压力为70-80Mpa，背压为2-5Mpa注塑制备所需测试样条。
实施例5
一种高光且具备电磁屏蔽功能的AS/PA9T复合材料，由以下原料及其重量份数组成：石墨烯2.5份、碳纳米纤维2.5份、分散剂3份、对苯二甲酸47.84份、壬二胺44.16份和AS纯树脂30份，其制备方法包括以下步骤：
(1)将2.5重量份的层数为5层、比表面积为1000m2/g的石墨烯粉体与2.5重量份直径为200nm的碳纳米纤维混合后，加入分散剂乙醇、EBS和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)在氮气保护下，将纳米碳材料复配体超声震荡分散在100重量份的N-甲基吡咯烷酮中后，加入47.84重量份的对苯二甲酸和44.16重量份的壬二胺，室温下高速搅拌进行原位聚合反应，聚合物沉淀析出，将聚合物放置在120℃烘箱中4小时后，得到PA9T复合材料，其中超声功率为1000w，搅拌速度为1000r/min，分散时间为15分钟；
(3)将PA9T复合材料与30份干燥AS纯树脂共混，经挤出机挤出切粒，得到AS/PA9T复合材料，烘干并注塑。其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，注塑机料筒温度为310-320℃，模具温度为130-140℃，注塑温度为290-300℃，注塑压力为70-80Mpa，背压为2-5Mpa注塑制备所需测试样条。
对比例1
一种AS/PA9T复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将3重量份的比层数为5层、比表面积为1000m2/g的石墨烯粉体与分散剂乙醇、EBS、和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)将步骤(1)中所得到粉体放入高混机中，加入94份PA9T纯树脂和30份AS纯树脂，加热至90℃高速搅拌1小时进行均匀分散；
(3)使用熔融共混法将步骤(2)中所得混合物置于双螺杆挤出机中，其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，经挤出和切粒，得石墨烯改性的AS/PA9T复合材料，注塑制备所需对比测试样条。
对比例2
一种AS/PA9T复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将3重量份直径为200nm的碳纳米纤维与分散剂乙醇、EBS、和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)将步骤(1)中所得到粉体放入高混机中，加入94份PA9T纯树脂和30份AS纯树脂，加热至90℃高速搅拌1小时进行均匀分散；
(3)使用熔融共混法将步骤(2)中所得混合物置于双螺杆挤出机中，其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，经挤出和切粒，得碳纳米纤维改性的AS/PA9T复合材料，注塑制备所需对比测试样条。
对比例3
一种AS/PA9T复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1.5重量份的比层数为5层、比表面积为1000m2/g的石墨烯粉体和1.5份直径为200nm的碳纳米纤维与分散剂乙醇、EBS、和硬脂酸锌各1重量份进行研磨处理，得纳米碳材料复配体；
(2)将步骤(1)中所得到粉体放入高混机中，加入94份PA9T纯树脂和30份AS纯树脂，加热至90℃高速搅拌1小时进行均匀分散；
(3)使用熔融共混法将步骤(2)中所得混合物置于双螺杆挤出机中，其中挤出机长径比为45，温度为280-330℃，螺杆转速为450r/min，经挤出和切粒，得石墨烯改性的AS/PA9T复合材料，注塑制备所需对比测试样条。
二、实验结果分析
取实施例1-5和对比例1-3所制备的AS/PA9T复合材料，对其进行性能测试。抗张强度采用ASTM%20D638方法进行测试。弯曲强度采用ASTM%20D790方法进行测试。介电强度采用ASTM%20D149方法进行测试。屏蔽效能SE值采用ASTM%20D4935-89方法进行测试。测试结果如下表1所示：
表1AS/PA9T纯树脂和实施例及对比例中AS/PA9T复合材料的相关性能
由上表1可知，实施例1-5中，AS/PA9T本身力学强度低、导电性差、电磁屏蔽效果不佳。用本发明方法制备的纳米碳材料/AS/PA9T复合材料与AS/PA9T空白样对比，添加少量的纳米碳材料复配体，能使AS/PA9T力学性能更加优化，具有一定的增强作用，且提高导电屏蔽性能。其中，实施例3制备所得的AS/PA9T复合材料，各项力学性能指数均为最大，介电强度最小、屏蔽效能SE值最大，表明电磁屏蔽效果相对最好。
由对比例1、对比例2与实施例3互相对比可得，单独使用石墨烯或碳纳米纤维来改善聚合物材料各项性能，远不如使用石墨烯与碳纳米纤维复配体的效果；由对比例3与实施例3对比可得，原位聚合法能够使纳米碳材料的分散性以及与基体之间的界面结合力得到很大的提高，因为使聚合物基体各项性能增强。
上说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
