一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法

1.本发明涉及一种阻尼复合材料制备方法，特别是涉及一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法。


背景技术：

2.阻尼材料是一种能够减弱机械振动，降低振动噪声的一种功能材料，高分子材料由于自身的黏弹性使其具有十分优良的减振降噪效果，而在工业中广泛应用。但是在实际应用中多半采用单一传统的橡胶材质，普遍存在阻尼性能不足、力学性能差、耐老化性能不足等缺点，并且很多情况下阻尼材料在使用时多半是承受单一方面的振动，而目前普遍采用的高分子阻尼材料均为各项同性材料，在单一方向上阻尼性能略显不足，但其他方向上的阻尼性能却通常起不到作用。为了提升高分子材料的性能，人们通过高分子材料间的共混或共聚来对材料进行改性。将无机粒子作为功能粒子来改性聚合物是目前高分子材料产业中普遍采用的技术之一。这些功能粒子可按其基本组成分为金属氧化物材料，金属盐材料、碳基材料等，其中碳基填料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯和炭黑等。由于无机粒子具有高模量、高强度，良好的力学性能、导热导电性能好，若以聚合物材料作为基体与无机功能粒子配合制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性，使复合材料性能带来极大的改善。但是无机粒子其优异特性在很大程度上会被自身的无规则分布、相互缠绕、大量团聚等问题所抑制，从而无法充分发挥其性能，对无机粒子进行界面改性以实现超分散效果和使无机粒子在某一方向上进行定向排列是目前解决这一难题的有效手段。专利cn110129606a公开了一种定向排列碳纳米管增强铝基复合线材的制备方法，先把碳纳米管与纯铝粉混合均匀，然后进行反复连续挤压，拉拔加工，退火处理等使碳纳米管在铝基复合材料中定向排列，使制得的铝基复合材料在特定方向上的获得了高强度；专利cn109321775a公开了一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，把铜丝放进均匀分散在水里的碳纳米管溶液中，经过超声震荡、干燥、热压烧结最后得到所要制品，此方法虽然过程相对比较简便，但是可以较方便的实现纳米碳管在铜丝上的定向排布目前用于无机粒子定向排列的工艺还存在一定的不足，比如碳纤维/环氧树脂尚属于宏观体系中纤维的定向分布，无法做到微观体系下的定向排列，而目前用于高分子基阻尼材料的各项异性制备工艺也未见报道，且现有高分子基阻尼材料工艺繁琐不易操作、阻尼性能不足，难以满足目前工业对阻尼材料越来越高的要求，成为制约我国精密制造、航空航天、汽车制造、路桥建设等领域的主要技术难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，本发明改善无机粒子在聚合物基体中的分散状态，使无机粒子特定方向上的取向排列，适宜大批量生产，而且制备出来的聚合物基阻尼复合材料不但具有各项异性，所需成本低、工艺简单，同时其电性能、阻尼性能获得了明显提高。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述方法通过极化和超分散使无机粒子在聚氨酯聚合物基体中形成局部定向排列结构，从而获得具有优良阻尼性能和电性能的各向异性聚合物基阻尼复合材料；包括如下制备步骤：（1）无机粒子的预处理：把界面改性剂和无机粒子依次加入分散剂中超波震荡10-30min，然后将产物进行抽滤，并在50-90℃条件下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的无机粒子粉末备用；（2）聚合物预聚体的制备：将异氰酸酯多元醇在80-100℃下真空脱水3-4h，然后加入脱水后的多元醇，在60-80℃氮气保护条件下反应2-3h，制得聚氨酯预聚体；（3）聚合物基阻尼复合材料的制备：在50-60℃的条件下，向上述制备好的预聚体中加入极性改性剂，反应10-30min，然后分别向混合溶剂中加入预处理过的无机粒子和固化剂在超高频率震荡器的辅助下反应1-10min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在30-70℃条件下，通过正负两极带有均匀分布孔状结构的金属电极板，沿样品长度、宽度或厚度方向对模具中的样品施加交流电或直流电，所施加的电场强为20v/mm-500v/mm，频率为0hz-100hz，极化时间为10s-600s，然后升温至70-90℃再继续固化3-24h，固化完成后脱模，即可得到具有局部定向排列结构的聚合物基阻尼复合材料。
5.所述的一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述无机粒子包括：碳纳米管、石墨烯、炭黑、铁粉及其氧化物中的一种或几种混合物。
6.所述的一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述具有局部定向排列结构的形式为：无机粒子在聚合物内部沿长度方向横向排列、纵向排列、圆弧状排列中的一种或几种并存。
7.所述的一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述步骤（1）中所述的分散剂包括丙酮、苯、氯仿、乙醇二氯中的一种或几种混合物；界面改性剂包括双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷、2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯、铬络合物中的一种或者几种混合物，用量为无机粒子的0.5%-5%。
8.所述的一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述步骤（2）中用来制备聚合物基体的多元醇包括聚氧化丙烯二醇、聚己二酸乙二醇酯、聚己内酯、聚四氢呋喃醚二醇中的一种或几种混合物及其衍生物；异氰酸酯包括六亚甲基二异氰酸酯、二甲苯甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或几种混合物及其衍生物。
9.所述的一种局部定向排列结构聚合物基阻尼复合材料制备方法，所述步骤（3）中极性改性剂包括六聚十六烷基三甲基氯化铵、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、叠氮化聚氨酯中的一种或几种混合物及其衍生物。
10.本发明的优点与效果是：本发明采用的超分散方法和极化方法能在局部控制无机粒子在聚氨酯等聚合物基体中的定向排列。在电场下可改变无机离子的排列方向，在聚合物内部形成沿长度方向的局部横向、纵向或圆弧状定向排列，且通过预处理无机粒子、添加极性改性剂、优化极化电压和控制预聚体粘度，克服了传统电场改性方式造成的团聚或局部缺陷现象，改善了无
机粒子在聚合物中的分散状况和定向排布响应效率，所制得的复合材料在局部定向排列方向上的阻尼性能、电学性能得以明显提升，且操作简单、工艺简洁、效率高、节约能源，适用于大批量生产，在精密制造、航空航天、路桥建设、环保降噪等领域具有广阔的前景。
附图说明
11.图1为本发明实施例2和实例3的扫描电镜图；图2为本发明流程图。
具体实施方式
12.实施例1（1）碳纳米管的预处理：在500ml丙酮溶液中加入占需改性无机粒子质量1.0%的双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷和0.5%的2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯充分搅拌，将碳纳米管加入其中超波震荡20min，将产物进行抽滤，然后在80℃条件下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的碳纳米管粉末备用；（2）预聚体的制备：将甲苯二异氰酸酯(tdi)在90℃条件下真空脱水3.5h，然后冷却至60℃，解除真空，把10.262g tdi加入39.280g脱水后的聚四氢呋喃醚二醇（ptmg）中，升温到80℃，在氮气保护下反应2.5h，即可得到聚氨酯预聚体；（3）无机粒子改性聚合物基复合材料的制备：在60℃条件下，向上述制备好的预聚体中加入占其质量5.0%的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯反应20min，然后分别向混合溶剂中加入5.0%预处理过的碳纳米管和5.248g摩卡(moca)，在超高频率振荡器的辅助下反应5min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在60℃条件下，利用带孔电极板对模具中的样品沿厚度方向通交流电，电压为200v/mm，频率为50hz，通电时间为60s，使碳纳米管在聚合物基体中发生局部定向排列，然后撤去电源，将极化后的样品升温至80℃下再继续固化5.0h。固化完成后脱模即得到了沿厚度方向具有局部定向排列结构的碳纳米管/聚氨酯基阻尼复合材料。
13.实施例2（1）碳纳米管的预处理：在500ml丙酮溶液中加入占需改性无机粒子质量1.0%的双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷和1.0%的2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯充分搅拌，将碳纳米管加入其中超波震荡30min，将产物进行抽滤，然后在90℃下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的碳纳米管粉末备用；（2）预聚体的制备：将甲苯二异氰酸酯(tdi)在95℃条件下真空脱水3.2h，然后冷却至60℃，解除真空，把12.000g脱水后的tdi 加入46.000g脱水后的聚四氢呋喃醚二醇（ptmg）中，升温到80℃，在氮气保护下反应2.0h，即可得到聚氨酯预聚体；（3）无机粒子改性聚合物基复合材料的制备：在50℃条件下，向上述制备好的预聚体中加入占其质量8.0%的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯反应30min，然后分别向混合溶剂中加入5.0%预处理过的碳纳米管和6.350gmoca，在超高频率振荡器的辅助下反应8min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在60℃条件下，利用带孔电极板对模具中的样品沿长度方向通交流电，电压为200v/mm，频率为50hz，通电时间分别为60s，使碳纳米管在聚合物基体中
发生局部定向排列，然后撤去电源，将极化后的样品升温至90℃再继续固化3.0h。固化完成后脱模即得到了沿长度方向具有局部定向排列结构的碳纳米管/聚氨酯基阻尼复合材料。
14.实施例3（1）碳纳米管的预处理：在500ml丙酮溶液中加入占需改性无机粒子质量2.0%的双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷充分搅拌，将碳纳米管加入其中超波震荡25min，将产物进行抽滤，然后在70℃下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的碳纳米管粉末备用；（2）预聚体的制备：将甲苯二异氰酸酯(tdi)在90℃条件下真空脱水4.0h，然后冷却至60℃，解除真空，把4.238g脱水后tdi加入16.221g聚四氢呋喃醚二醇（ptmg）中，升温到80℃，在氮气保护下反应3.0h，即可得到聚氨酯预聚体；（3）无机粒子改性聚合物基复合材料的制备：在55℃条件下，向上述制备好的预聚体中加入占其质量6.0%的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯反应15min，然后分别向混合溶剂中加入5.0%预处理过的碳纳米管和2.239g moca，在超高频率振荡器的辅助下反应10min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在55℃条件下，利用带孔电极板对模具中的样品沿长度方向通交流电，电压为300v/mm，频率为50hz，通电时间为100s，使碳纳米管在聚合物基体中发生局部定向排列，然后撤去电源，将极化后的样品升温至85℃再继续固化20.0h。固化完成后脱模即得到了沿长度方向具有局部定向排列结构的碳纳米管/聚氨酯基阻尼复合材料。
15.实施例4（1）碳纳米管的预处理：在500ml丙酮溶液中加入占需改性无机粒子质量1.0%的双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷和0.5%的2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯充分搅拌，将碳纳米管加入其中超波震荡18min，将产物进行抽滤，然后在70℃下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的碳纳米管粉末备用；（2）预聚体的制备：将甲苯二异氰酸酯(tdi)在95℃条件下真空脱水2.0h，然后冷却至60℃，解除真空，把3.112g脱水后的tdi 加入12.566g脱水后的聚四氢呋喃醚二醇（ptmg）中，升温到80℃，在氮气保护条件下反应3.0h，即可得到聚氨酯预聚体；（3）无机粒子改性聚合物基复合材料的制备：在60℃条件下，向上述制备好的预聚体中加入占其质量5.0%的叠氮化聚氨酯反应25min；然后分别向混合溶剂中加入5.0%预处理过的碳纳米管和1.579g固化剂moca，在超高频率振荡器的辅助下反应5min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在55℃条件下，利用带孔电极板对模具中的样品沿长度方向通直流电，电压为350v/mm，通电时间为60s，使碳纳米管在聚合物基体中发生局部定向排列，然后撤去电源，将极化后的样品在70℃下固化10.0h，固化完成后脱模即得到了沿长度方向具有局部定向排列结构的碳纳米管/聚氨酯基阻尼复合材料。
16.实施例5（1）石墨烯的预处理：在500ml丙酮溶液中加入占需改性无机粒子质量2.5%的双-3-甲基丙烯基氧丙基化四甲基二硅氧烷充分搅拌，将石墨烯加入其中超波震荡30min，将反应物进行抽滤，然后在55℃下进行烘干处理，直至产物恒重，制得处理后的石墨烯备用；（2）预聚体的制备：将二甲苯甲烷二异氰酸酯(mdi)在85℃条件下真空脱水3.2h，
然后冷却至60℃，解除真空，把2.879g脱水后的mdi 加入10.366g脱水后的聚己二酸乙二醇酯(pea)中，升温到80℃，在氮气保护条件下反应2.5h，即可得到聚氨酯预聚体；（3）无机粒子改性聚合物基复合材料的制备：在55℃条件下，向上述制备好的预聚体中加入占其质量8.0%的六聚十六烷基三甲基氯化铵反应22min，然后分别向混合溶剂中加入7.0%预处理过的石墨烯和1.210g moca，在超高频率振荡器的辅助下反应10min，分散均匀后浇注到模具中；（4）产物的极化处理：在65℃条件下，利用带孔电极板对模具中的样品沿长度方向通直流电，电压为300v/mm，通电时间分别为180s，使石墨烯在聚合物基体中发生局部定向排列，然后撤去电源，将极化后的样品升温至75℃再继续固化12.0h。固化完成后脱模即得到了沿长度方向具有局部定向排列结构的石墨烯/聚氨酯基阻尼复合材料。
17.如下表1为本发明实施例1-5的导电性能表；表2为本发明实施例1-5的阻尼性能表。
18.表1注：测量时为沿样品长度向。
19.表2注：测量时受力方向为沿样品长度向。