一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法与流程

本发明属于先进功能材料制备技术领域，具体涉及一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法。

背景技术：

尼龙材料作为一种常见的工程塑料，其具有较为优异的力学性能而应用广泛。近年来，在石油化工管道输运、电子材料衬底与封接等应用场所对于高分子材料电学性能以及耐摩擦性质提出了更高要求。

致力于尼龙材料改性，广大研究人员大体从尼龙自身接枝改性、高分子合金化以及无机材料填充等方面做出了大量的工作，形成了多种有效的手段。以碳纤维、碳纳米管、石墨烯等为代表的纳米碳材料由于自身优异的力学或电性能而在作为高分子导电型填料上有着比较深入的应用。围绕着碳纳米材料与尼龙基体的复合所设计出大量制备高强导电尼龙复合材料，部分已经进入工业化的应用。此外，在耐摩擦尼龙材料中，着力于摩擦特性改善，碳纳米材料也有报道开始使用，尤其是石墨烯材料更是对于耐磨高分子改性存在巨大的潜力。然而，对于导电性能和耐磨特性兼顾的尼龙材料开发，目前公开报道尚无多见。选择石墨烯作为填充体，致力于开发导电耐磨尼龙材料，其难点在于需要保持石墨烯作为优异导电填料，需要减少石墨烯层数、保持石墨片层完整性以及调节石墨烯表面基团特性；而提升填充石墨烯材料的耐磨特性，要求石墨烯具有一定的层数，并使得石墨烯与尼龙基体有着较强的结合作用。

技术实现要素：

本发明着力于解决石墨烯作为耐磨、导电填料对于石墨烯表面官能团及片层结构的要求，设计采用气氛调节下热场改性石墨烯，并利用热场改性石墨烯制备导电耐磨尼龙的方法。

一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法，按照如下步骤进行：

(1)以氧化石墨烯为原料，通过气氛保护条件下在400-1000℃进行热处理，处理时间1至4小时，得到热处理氧化石墨烯；

(2)将热处理氧化石墨烯，尼龙6以及助剂进行熔融共混，共混温度200-300℃，共混时间5-20分钟，得到共混料；

3)将共混料模压成型，模压温度200-300℃，模压压力10-20MPa，模压时间5-20分钟，得到导电耐磨尼龙材料。

步骤(1)中氧化石墨烯热处理保护气氛选择使用惰性气体氮气、氩气或者微氧化气氛；所述微氧化气氛为氮气与氧气的混合气体，氮气与氧气的体积比在10∶(0.1-1)。

步骤(2)中热改性的石墨烯质量为尼龙6质量的0.5-10％。

所述助剂为碳纤维和/或膨胀石墨，填充量为尼龙6质量的0.1-5％。

本发明的有益效果：本发明基于热作用，在气氛控制调节下，实现对于石墨烯表层官能团种类与含量、剥离程度等调节，保证热场改性石墨烯作为导电耐磨填料的特性，同时改善石墨烯与基体的相容性。本发明特点体现在基于过物理场设计结合尼龙材料助剂体系调控，形成了控制石墨烯自身结构与尼龙复合结构的方法。具体包括如下：1.采用热场条件，通过热处理工艺以及气氛调节，实现对于氧化石墨烯表面官官能基团种类与含量的调控，并在尽可能保持石墨烯完成片层结构基础上，实现石墨烯热场条件下的进一步剥离，达到作为优异导电、耐磨填料使用要求；2.采用熔融共混，辅助助剂包括一维导电填料和其他耐磨无机填料等，实现多相复合材料体系在导电性质、力学性能以及耐磨特性上的协同效应，进一步改善材料综合使用性能；3.该制备方法设计利用热场改性石墨烯采用熔融共混制备导电耐磨尼龙材料，工艺上简单、易于实现结构调控，对于制备纳米碳材料/高分子功能复合材料有着良好的借鉴意义。

附图说明

图1为热还原改性石墨烯高分辨电子显微镜照片。

图2为热还原改性石墨烯/尼龙复合材料扫描电子显微照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法，按照如下步骤进行：

(1)以氧化石墨烯为起始原料，将其置于陶瓷坩埚内，放入高温实验电炉中，通入氮气，并以5℃/分钟升温至1000℃并保温40分钟，后5℃/分钟降温至室温，得到热场改性的石墨烯材料。所得石墨烯体积电阻率为9.30×10^-3Ω·cm，石墨烯层数约8层(如图1所示)；

(2)将所得到热场改性的石墨烯与尼龙6熔融共混，石墨烯含量为尼龙质量的6％，熔融共混温度250℃，得到石墨烯/尼龙共混粒料；

(3)所得到的共混粒料填充进矩形模具腔中，采用模压成型，模压温度为250℃，模压成型压力15MPa，保压时间为5分钟，得到厚度1毫米的复合材料片材，所得到片材材料性能如表1。

表1热场改性石墨烯/尼龙复合材料性能

实施例2

一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法，按照如下步骤进行：

(1)以氧化石墨烯为起始原料，将其置于陶瓷坩埚内，放入高温实验电炉中，通入氮气与氧气混合气体，其中氮气与氧气的体积比10∶0.5，形成微氧化气氛条件，并以5℃/分钟升温至600℃并保温30分钟，后5℃/分钟降温至室温，得到热场改性的石墨烯材料。所得石墨烯体积电阻率约为2.32×10^-2Ω·cm，石墨烯层数约10至15层；

(2)将所得到热场改性的石墨烯与尼龙6熔融共混，石墨烯含量为尼龙质量的5％，熔融共混温度250℃，得到石墨烯/尼龙共混粒料。

(3)所得到的共混粒料填充进矩形模具腔中，采用模压成型，模压温度为250℃，模压成型压力15MPa，保压时间为5分钟，得到厚度1毫米的复合材料片材，所得到片材中石墨烯均匀分散在尼龙，如图2所示，其性能如表2。

表2热场改性石墨烯/尼龙复合材料性能

实施例3

一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法，按照如下步骤进行：

(1)以氧化石墨烯为起始原料，将其置于陶瓷坩埚内，放入高温实验电炉中，通入氮气，并以5℃/分钟升温至1000℃并保温40分钟，后5℃/分钟降温至室温，得到热场改性的石墨烯材料。所得石墨烯体积电阻率为9.30×10^-3Ω·cm，石墨烯层数约8层；

(2)将所得到热场改性的石墨烯，纳米青金石粉末与尼龙6熔融共混，石墨烯含量为尼龙质量的6％，纳米青金石粉末含量为尼龙质量的1％，熔融共混温度250℃，得到石墨烯/尼龙共混粒料；

(3)所得到的共混粒料填充进矩形模具腔中，采用模压成型，模压温度为250℃，模压成型压力15MPa，保压时间为5分钟，得到厚度1毫米的复合材料片材，所得到片材材料性能如表3。

表3热场改性石墨烯/尼龙复合材料性能

实施例4

一种利用热场改性氧化石墨烯制备耐磨导电尼龙的方法，按照如下步骤进行：

(1)以氧化石墨烯为起始原料，将其置于陶瓷坩埚内，放入高温实验电炉中，通入氮气，并以5℃/分钟升温至1000℃并保温40分钟，后5℃/分钟降温至室温，得到热场改性的石墨烯材料。所得石墨烯体积电阻率为9.30×10^-3Ω·cm，石墨烯层数约8层；

(2)将所得到热场改性的石墨烯，纳米凹凸棒土与尼龙6熔融共混，石墨烯含量为尼龙质量的6％，纳米凹凸棒土含量为尼龙质量的1％，熔融共混温度250℃，得到石墨烯/尼龙共混粒料；

(3)所得到的共混粒料填充进矩形模具腔中，采用模压成型，模压温度为250℃，模压成型压力15MPa，保压时间为5分钟，得到厚度1毫米的复合材料片材，所得到片材材料性能如表4。

表4热场改性石墨烯/尼龙复合材料性能