一种六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，属于高分子材料改性技术领域和加工技术领域。本发明首先采用悬浮聚合法，以氮化硼、苯乙烯、偶联剂、引发剂和分散剂制备出h?BN@PS母粒，按质量比，h?BN@PS母粒:聚苯乙烯＝1:3?5；将h?BN@PS母粒与聚苯乙烯基材混合，制备的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料不仅增强聚苯乙烯的力学性能，而且还可以提高热导系数。本发明的复合材料制备过程先进，可提高六方氮化硼和聚苯乙烯间的相容性，操作简单、绿色环保，在低填料掺量下，该复合材料可获得较高的力学性能和导热系数，具有重要的应用价值。
【专利说明】
一种六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有高力学、高导热性能的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材 料的制备方法，属于高分子材料改性技术领域和加工技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，在高分子复合材料领域，具有高力学、高导热性能的高分子复合材料逐渐 成为研究热点和重点，受到广大研究者们的高度关注。国民经济中的各个领域对高力学、高 导热性能材料的性能要求愈来愈苛刻，传统的高力学、高导热性能材料存在着不同的难以 克服的缺陷，均难以满足现代工业对导热材料功能多样性的要求。因此，针对不同的应用领 域开发新型的高力学、高导热性能复合材料，已成为高力学、高导热性能材料研究的重要方 向和迫切需求。
[0003]聚苯乙烯是目前世界上应用最为广泛，产量增长最快的树脂之一，在包装、轻工、 建筑、电子、电器和汽车等行业具有广泛的应用。但是其导热系数低，力学性能差，无法满足 散热及高强度的工业需求。目前提高聚苯乙烯导热系数和增强力学性能比较常见的方法是 通过添加高热导系数高力学性能的填料，添加一些填料可以提高力学性能和热导系数，但 是会带来其他的缺陷，如添加金属材料之后其抗腐蚀性能差，价格高昂、不易加工成型；添 加金属氧化物材料之后会导致生产成本高、加工工艺复杂;添加石墨材料之后会引起其绝 缘性能变差。
【发明内容】
[0004] 本发明的第一个目的是提供一种高力学，高导热性能的高分子复合材料，该复合 材料的填料为六方氮化硼，在低填料掺量下，该复合材料可获得较高的力学性能和导热系 数。
[0005] 本发明的第二目的是提供上述高力学，高导热性能的高分子复合材料的制备方 法。
[0006] 本发明采用的技术方案是:一种六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，方法 如下：
[0007] 1)六方氮化硼预处理:将六方氮化硼与偶联剂溶于水中，搅拌均匀，干燥；
[0008] 2)h-BN@PS母粒制备:取预处理后的六方氮化硼和苯乙烯，超声分散30-50min，加 入引发剂、分散剂和水，在N2保护下，于室温下搅拌30-50min;升温至70-85°C，调节转速至 800r/min，此温度范围下搅拌3-5h，升温至85-95°C，调节转速至500r/min，在此温度范围下 搅拌2-3h后，停止反应，减压过滤，滤去上层反应液，所得产物洗涤，干燥，得h-BN@PS母粒； [0009 ] 3)将聚苯乙烯和h-BN@PS母粒在双滚筒混合机中混合均匀，于成型机中成型。
[0010] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，按质量比，六方氮化硼：苯乙 稀= 1:6.7-33.3。
[0011] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述的偶联剂的用量为苯乙 烯和六方氮化硼总质量的1-5%。
[0012] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述的偶联剂为硅烷偶联剂， 可以为ΚΗ-570( γ -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）、ΚΗ-550( γ -氨丙基三乙氧基硅 烷）、Ζ-6040( γ -缩水甘油醚丙三硅烷）、或Ζ-6020( γ -氨丙基三甲氧基硅烷）中的一种或几 种。
[0013] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述的引发剂的用量为苯乙 烯和六方氮化硼总质量的1-3%。
[0014] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述引发剂为偶氮二异丁腈、 过氧化二苯甲酰，过硫酸钾中的一种或几种。
[0015] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述的分散剂的用量为苯乙 烯和六方氮化硼总质量的1-2%。
[0016] 上述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，所述的分散剂为明胶、聚乙烯 醇，聚乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
[0017]上述的六方氮化硼/聚苯乙稀复合材料的制备方法，按质量比，h-BN@PS母粒:聚苯 乙稀=1:3_5。
[0018] 与现有技术相比，本发明以六方氮化硼和苯乙烯为原料，首先采用悬浮聚合法制 备出h-BN@PS母粒，再将母粒与聚苯乙烯混炼挤出。本发明制备方法简单易操作，可控性强， 在低填料掺量下，该复合材料可获得较高的力学性能和导热系数，可规模化放大生产。
[0019] 与聚苯乙烯本身的性能相比，本发明的有益效果如下：
[0020] 第一，经过测试后发现，所合成的高分子复合材料的各种力学性能均好于聚苯乙 烯基体。
[0021] 第二，经过测试后发现，所合成的高分子复合材料随着氮化硼填充量的增加，复合 材料的弯曲强度和弯曲模量随之提升;拉伸强度先增加后下降，而拉伸强度在氮化硼和聚 苯乙烯的质量比为：1:30.6时达到最高;断裂伸长率随之下降，且氮化硼/聚苯乙烯高分子 复合材料的制备过程中反应5h时，其各个力学性质相对比较优异。
[0022] 第三，经过测试后发现，所合成的高分子复合材料随着氮化硼填充量的增加，复合 材料的导热系数先增加后下降，当氮化硼的填充量达到某一临界值并有良好的分散状态 后，便可在体系中形成导热网链条，当六方氮化硼和聚苯乙烯的质量比为1:30.6时导热系 数达到最高。
【附图说明】
[0023]图1是氮化硼的红外光谱图。
[0024] 图2是聚苯乙烯PS和h-BN@PS母粒的X-射线粉末衍射图。
[0025]图3是六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的电镜图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0027] 实施例1
[0028] 1)六方氮化硼预处理:将KH_570(偶联剂的添加量为六方氮化硼和苯乙烯总质量 的2%)和200ml去离子水，磁力搅拌大约20min，将六方氮化硼添加到溶液中继续磁力搅拌 4〇min，再于70°C水浴中继续搅拌30min，过滤，得到的氮化硼粉末（图1)，图1所示的峰位置 与文献中所报道的氮化硼的一致。位于783CHT 1和1383CHT1的吸收带是六方氮化硼的特征吸 收峰，其中783CHT1对应B-N-B键的面外弯曲振动的吸收峰，而1383CHT 1对应B-N键的面内伸 缩振动吸收峰。在ll〇°C下干燥12小时，用研钵将干燥好的氮化硼粉末研磨好待用。
[0029] 2)h_BN@PS母粒制备:将处理好的六方氮化硼和苯乙烯，按质量比，六方氮化硼:苯 乙烯=1: 33.3，加入三口瓶中，在超声仪中超声分散30-50min，使其分散完全，再称取一定 量偶氮二异丁腈和明胶加入三口瓶中（偶氮二异丁腈的添加量为苯乙烯和六方氮化硼总质 量的2%，明胶的添加量为苯乙烯和六方氮化硼总质量的1.5%)，倒入100mL去离子水，将三 口瓶放入水浴锅中，开启搅拌器，在N2保护下，于室温，转速500r/min下搅拌30-50min;升温 至70_85°C，调节转速至800r/min，此温度范围下搅拌4h，升温至90_95°C，调节转速至500r/ min，在此温度范围下搅拌2-3h后，停止反应，减压过滤，滤去上层反应液，所得产物洗涤，50 °(3真空干燥，得h-BN@PS母粒（图2)，图2展示了聚苯乙烯PS和h-BN@PS母粒的X-射线粉末衍 射图。从图中可以看出，聚苯乙烯PS的XRD峰的位置与文献中所报道的XRD图相类似，氮化硼 (002)和（100)面的衍射峰分别位于20 = 26.7° 20 = 41.8°，在h-BN@PS母粒的X-射线粉末衍 射图中相应位置有衍射峰出现，因此已成功制得h-BN@PS母粒。
[0030] 3)将h-BN@PS母粒与聚苯乙烯高分子，按质量比，h-BN@P S母粒:聚苯乙烯=1:4，在 双滚筒混合机中混合均匀，混炼挤出（图3)，图3所示所制备的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材 料的扫描电镜(SEM)照片，由SEM图可以看到六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的断面很均匀。 其中六方氮化硼和聚苯乙烯高分子的质量比为1:122，电动加硫成型机的温度控制在180-210。。。
[0031]将得到的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材料进行力学性能测试，测试结果如 表1。
[0032] 实施例2
[0033]制备方法同实施例1，不同点在于，按质量比，六方氮化硼：苯乙烯= 1:16.7,六方 氮化硼和聚苯乙烯高分子的质量比为1:61。
[0034] 将得到的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材料进行力学性能测试，测试结果如 表1。
[0035] 实施例3
[0036]制备方法同实施例1，不同点在于，按质量比，六方氮化硼：苯乙烯= 1:11.1，六方 氮化硼和聚苯乙烯高分子的质量比为1:40.7。
[0037] 将得到的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材料进行力学性能测试，测试结果如 表1。
[0038] 实施例4
[0039]制备方法同实施例1，不同点在于，按质量比，六方氮化硼:苯乙烯= 1:8.3,六方氮 化硼和聚苯乙烯高分子的质量比为1:30.6。
[0040]将得到的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材料进行力学性能测试，测试结果如 表1。
[0041 ] 实施例5
[0042]制备方法同实施例1，不同点在于，按质量比，六方氮化硼:苯乙烯= 1:6.7,六方氮 化硼和聚苯乙烯高分子的质量比为1:24.4。
[0043]将得到的六方氮化硼/聚苯乙烯高分子复合材料进行力学性能测试，测试结果如 表1。
[0044]表 1
【主权项】
1. 一种六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于方法如下： 1) 六方氮化硼预处理:将六方氮化硼与偶联剂溶于水中，搅拌均匀，干燥； 2. h-BN@PS母粒制备：取预处理后的六方氮化硼和苯乙烯，超声分散30-50min，加入引 发剂、分散剂和水，在N2保护下，于室温下搅拌30-50min，升温至70-95°C，继续搅拌7-9h，停 止反应，减压过滤，滤去上层反应液，所得产物洗涤，干燥，得h-BN@PS母粒； 3) 将聚苯乙烯和h-BN@PS母粒在双滚筒混合机中混合均匀，于成型机中成型。2. 根据权利要求1所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：按 质量比，六方氮化硼:苯乙稀=1:6.7-33.3。3. 根据权利要求1或2所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于： 所述的偶联剂的用量为苯乙烯和六方氮化硼总质量的1-5%。4. 根据权利要求3所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所 述偶联剂可以为冊-570、101-550、2-6040、2-6020中的一种或几种。5. 根据权利要求1或2所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于： 所述的引发剂的用量为苯乙烯和六方氮化硼总质量的1-3%。6. 根据权利要求5所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所 述引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰，过硫酸钾中的一种或几种。7. 根据权利要求1或2所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于： 所述的分散剂的用量为苯乙烯和六方氮化硼总质量的1-2%。8. 根据权利要求7所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所 述的分散剂为明胶、聚乙烯醇，聚乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。9. 根据权利要求1或2所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于： 按质量比，h-BN@PS母粒:聚苯乙烯=1:3-5。10. 根据权利要求1或2所述的六方氮化硼/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在 于:步骤2)具体为:取预处理后的六方氮化硼和苯乙烯，超声分散30-50min，加入引发剂、分 散剂和水，在N2保护下，于室温下搅拌30-50min;升温至70-85°C，调节转速至800r/min，此 温度范围下搅拌3_5h，升温至90_95°C，调节转速至500r/min，在此温度范围下搅拌2_3h后， 停止反应，减压过滤，滤去上层反应液，所得产物洗涤，干燥，得h-BN@PS母粒。
【文档编号】C08L25/06GK105860315SQ201610415809
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张向东, 刘世财, 韩维坊, 韩伟, 葛春华, 关宏宇
【申请人】辽宁大学