专利名称：基于材料设计的纳米有机复合材料制造方法
技术领域：
纳米粉体按照材料设计预定的配比，添加到有机高分子材料中，形成有机-无机复合材料，可以获得各种优良的物理性能和化学性能，这是材料科学领域一个大的发展方向。纳米材料的制备和应用过程一直受限于纳米颗粒自身的团聚和纳米颗粒在基材中的分散两大难题，本发明公开的纳米 母粒制造方法及其在树脂改性中的应用方法，旨在解决纳米粉体在工业生产中的这些关键问题。出于环境保护的考虑，纳米粉体在工业生产中实际应用时，也需要制造成颗粒状，以减少对环境的影响，本发明公开的方法是解决这方面问题的优选途径。
背景技术：
纳米粉体是指粒径在100纳米以下的粉体，通常又细分为10-30纳米、30至60纳米、60至90纳米三个级别。纳米母粒通常是指以纳米粉体作为原料制造的，粒径在几个毫米级别的颗粒状材料。纳米粉体的混合，视配比和用途的不同，通常采用密炼机、高速搅拌机等各种设备，将纳米有机混合料充分搅拌，达到均匀分散、物理结合的目的。
发明内容
纳米粉体按照材料设计方案，添加到有机高分子材料中制成有机-无机复合材料，通过纳米效应及纳米粉体材料自身的性能特征，可以赋予有机高分子材料更加优良的物理性能和化学性能，例如包括但不仅限于，与有机高分子材料相比，添加纳米粉体的有机材料可以具有更高的硬度、耐摩擦性能和抗冲击性能，更好的耐化性能、耐候性能和防污性能，在一些特殊领域可以具有吸波性能、红外辐射性能、铁磁和电磁性能、压电性能、荧光吸收与发射性能等等。纳米粉体按照材料设计方案，添加到有机高分子材料中，通过改变高分子材料的物理特性，例如包括但不仅限于，软化温度、高温粘度、高温流变性能、热熔、冷却固化性能等等，可以改善有机高分子材料的机械加工性能。本发明公布的方法首先解决的是纳米粉体的自团聚问题，纳米粉体由于粒径小，表面积大，表面能也较高，因此自然存在相互团聚以减小表面能的趋势；纳米粉体颗粒的团聚使得纳米粉体颗粒变大，进而失去纳米效应，影响纳米粉体的功用；本发明公开的方法，将表面活性剂、偶联剂和分散剂等添加到纳米粉体中，以机械力搅拌混合，使纳米粉体的颗粒表面为表面活性剂、偶联剂和分散剂逐层包覆；通过表面活性剂的表面包覆以降低纳米颗粒表面能，避免纳米颗粒的自团聚现象的发生；偶联剂的包覆使得纳米颗粒可以通过偶联剂与有机高分子发生缠绕、接枝或键合作用，达到有效牢固结合的目的；分散剂使纳米颗粒在粘稠的有机高分子中均匀分散。
纳米有机复合材料通过本发明公开的方法进行加工，制成颗粒状复合材料，在工业生产过程中使用方便、环保，性能均匀稳定，极大地拓展了纳米材料的应用范围，改善了纳米材料的应用效果。实例一一种可以高效加工的纳米改性聚碳酸酯树脂的制造方法，包括以下步骤
1)将经过表面活性剂包覆的纳米碳酸钙和纳米二氧化硅混合，配以偶联剂和分散剂制成混合纳米粉体；
2)将混合纳米粉体与聚碳酸酯树脂混合，制成纳米有机混合物；
3)将纳米有机混合物加入双螺杆挤出机，加温150度至180度，搅拌10分钟至15分钟，挤出后冷却，并切粒，母粒可以用于各种后续加工，如注塑等；·
4)纳米材料的加入，显著降低聚碳酸酯树脂的高温粘度，增加其高温流动性能，冷却固化速度加快，膨胀系数减小；使用这样的纳米改性聚碳酸酯树脂注塑加工效率有效提高30% 至 50%。实例二一种具有吸波功能的纳米有机复合材料的制造，包括以下步骤
1)应用溶胶凝胶法，将铅、钛、锆的化合物，制备锆钛酸铅纳米粉体；
2)以表面活性剂、偶联剂和分散剂依次与锆钛酸铅纳米粉体混合，逐层包覆；
3)将处理好的纳米粉体与尼龙1212树脂加入密炼机充分搅拌混合；
4)混合料加入双螺杆挤出机，加温180度至200度，揉练20分钟至30分钟，挤出冷却并切粒；
5)所制纳米尼龙复合材料，不但继承了尼龙树脂良好的力学性能和加工性能，而且该种纳米尼龙复合材料可以吸收各种波长的辐射。实例三一种可以红外辐射方式自散热的纳米有机复合材料的制造，包括以下步骤
O以溶胶凝胶法，制备铁与锰的复合纳米粉体；
2)以表面活性剂、偶联剂和分散剂依次与铁锰复合纳米粉体混合，逐层包覆；
3)将处理好的纳米粉体与聚丙烯树脂加入密炼机充分搅拌混合；
4)混合料加入双螺杆挤出机，加温180度至200度，揉练20分钟至30分钟，挤出冷却并切粒；
5)所制纳米聚丙烯复合材料，可以吸收光或热，并以红外辐射的方式将热能散射出去，广泛地应用于电子产品，解决电子产品的散热问题。
权利要求
1.一种基于材料设计的纳米有机复合材料制造方法，包括以下步骤 1)从材料的性能与其组成、结构的关系出发，构建材料性能与材料组成、结构的关系模型，应用该模型进行模拟实验的基础上，设计纳米有机复合材料的组成配比和制造工艺； 2)按照材料设计方案，将一种或多种纳米粉体，配以一种或多种有机高分子材料，并添加表面活性剂、偶联剂、分散溶剂等辅助原料，按材料设计的配方进行配比； 3)使用高温反应釜、密炼机或高速搅拌机等设备充分搅拌，混合均匀，使表面活性剂、偶联剂、分散溶剂等逐层包覆纳米颗粒，或纳米颗粒与有机高分子形成物理粘联，制成纳米有机混合料； 4)将混合均匀的纳米有机混合料，送入高温反应设备，在预先设定的温度下加热，使有机高分子材料软化成粘稠状态，进过充分揉练，使纳米颗粒与软化态的有机高分子发生物理的结合，包括但不仅限于分子间缠绕、大分子接枝、分子间作用力键合等；或者 5)有机高分子经过高温软化，与纳米颗粒共同发生重结晶过程，即原位合成； 6)微观上纳米颗粒均匀分散于有机高分子中，使得宏观上，纳米有机复合材料继承了纳米材料和有机高分子材料的各种性能，例如但不仅限于，具有更加优良的物理性能、化学性能和机械加工性能； 7)经过挤出、定型、冷却和剪切等工艺，制成不同粒径的条状或颗粒状纳米有机复合材料。
全文摘要
本发明公开了一套实施材料设计方案的系统方法，以制造各种系列的纳米有机复合材料。在材料设计智能系统的指导下，通过添加各种纳米材料和有机高分子材料，并使各种原料充分混合、均匀分散，制造出具有预期性能的纳米有机复合材料。本发明在材料科学和技术及其应用领域具有较高的学术价值和实用价值。
文档编号C08K9/02GK102786786SQ20121017944
公开日2012年11月21日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者不公告发明人 申请人:郭子钰, 郭景康