CN105860195A - 一种石墨烯增强pe或pp聚合物复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其包括以下步骤：1）取100重量份的低分子量PE或PP聚合物、2‑5重量份的氧化石墨烯粉体、0.5‑2重量份的碳黑、0.1‑1重量份的硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，搅拌球磨的温度控制在60℃以下，搅拌速度为300‑500r/min，搅拌球磨1‑3小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；2）取100重量份的高分子量PE或PP聚合物颗粒、0.5‑1重量份的步骤1）所得的混合粉体、0.1‑1重量份的茂金属催化剂，在常压和60‑90℃的温度下密封搅拌混合1‑2小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为500‑1000r/min，制备得石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料；3）将步骤2）所得的石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料进行造粒。

Description

一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种PE或PP聚合物复合材料的制备方法，尤其是一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量，目前该材料在PE或PP聚合物中的复合技术主要以化学共价改性聚合为主，该复合技术是通过对石墨烯进行氧化处理，形成氧化石墨烯，氧化石墨烯表面所拥有的氧分子官能团与PE或PP聚合物链段上的羟基发生的酯化反应，并与PE或PP聚合物链端的相应基团进行共价结合，从而形成相应的复合材料，这类方法，由于涉及的化学过程繁琐，技术相对复杂，复合材料的性能稳定性较差，目前基本处于实验室的研究阶段，规模化生产成品的条件欠佳。
石墨烯是一种新型二维碳元素材料，虽然具有非凡的材料性能，但未经改性处理的原始石墨烯因为呈表面惰性，难以与大多数PE或PP聚合物基体进行有效分散复合，其分散性和与PE或PP聚合物基体的相互作用是影响复合材料制备的两个关键因素，而这就制约了石墨烯优异的材料性能难以发挥，阻碍了石墨烯材料在产业化应用的进程。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种能有效分散石墨烯以及将石墨烯和PE或PP聚合物有效共价结合的石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)取100重量份的低分子量PE或PP聚合物、2-5重量份的氧化石墨烯粉体、0.5-2重量份的碳黑、0.1-1重量份的硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，常温下搅拌球磨1-3小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2)取100重量份的高分子量PE或PP聚合物颗粒、0.5-1重量份的步骤1)所得的混合粉体、0.1-1重量份的茂金属催化剂，在常压和60-90℃的温度下密封搅拌混合1-2小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为500-1000r/min，制备得石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料；
3)将步骤2)所得的石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料。
步骤1)中所述常温为60℃以下。
步骤1)中所述搅拌球磨的搅拌速度为300-500r/min。
所述低分子量PE或PP聚合物的分子量为4万以下。
所述高分子量PE或PP聚合物的分子量为4万-30万。
所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。
所述茂金属催化剂为茂钛、茂铁、茂铬中的至少一种。
本发明采用以上技术方案，具有如下的有益效果：
(1)该方法中氧化石墨烯的分散性好；石墨烯粉体密度小易团聚，但石墨烯和碳黑是同类的碳原子结构材料，氧化石墨烯表面有氧分子官能团，该官能团的分子亲和力较强，在搅拌球磨后，能与碳黑分子在硅烷偶联剂的作用下使石墨烯分子在碳黑中得到很好的分散，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体，从而形成稳定的界面，并能防止石墨烯分子再团聚。同时添加的碳黑分子材料也可以提高PE或PP聚合物的导电性能。
(2)氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体和高分子量PE或PP聚合物颗粒在茂金属催化剂的作用下，经过步骤2)的处理，氧化石墨烯在高分子量PE或PP聚合物颗粒的表面和高分子量PE或PP聚合物形成共价结合，PE或PP聚合物链条稳定地被接枝在石墨烯表面，同时环绕在它周围防止石墨烯之间的再次团聚，从而得到稳定的分散结构，制备得石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料。
(3)最后将石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料进行进行挤出剪切捏合，通过茂金属催化剂的作用，氧化石墨烯和高分子量PE或PP聚合物进行充分熔融分散并进一步进行共价结合，并把混合料中的少量低分子量PE或PP聚合物进一步聚合反应成高分子量的PE或PP聚合物，最后，通过挤出造粒后形成具有高分子量高性能产品的石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料。
本发明的制备方法简单，复合材料性能提升显著，便于工业化和产业化，设计合理，实用性强。
具体实施方式
一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)取100重量份的低分子量PE或PP聚合物、2-5重量份的氧化石墨烯粉体、0.5-2重量份的碳黑、0.1-1重量份的硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，常温下搅拌球磨1-3小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2)取100重量份的高分子量PE或PP聚合物颗粒、0.5-1重量份的步骤1)所得的混合粉体、0.1-1重量份的茂金属催化剂，在常压和60-90℃的温度下密封搅拌混合1-2小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为500-1000r/min，制备得石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料；
3)将步骤2)所得的石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料。
步骤1)中的所述常温为60℃以下。
步骤1)中所述搅拌球磨的搅拌速度为300-500r/min。
所述低分子量PE或PP聚合物的分子量为4万以下。
所述高分子量PE或PP聚合物的分子量为4万-30万。
所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。
所述茂金属催化剂为茂钛、茂铁、茂铬中的至少一种。
实施例1
一种石墨烯增强PE聚合物复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)取100重量份的分子量为4万以下的低分子量PE聚合物、4重量份的氧化石墨烯粉体、1重量份的碳黑、0.6重量份的乙烯基硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，搅拌球磨的温度控制在60℃以下，搅拌速度为300r/min，搅拌球磨2小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2)取100重量份的分子量为17万的高分子量PE聚合物颗粒、0.7重量份的步骤1)所得的混合粉体、0.6重量份的茂钛催化剂，在常压和80℃的温度下密封搅拌混合1.5小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为800r/min，制备得石墨烯高分子量PE聚合物混合料；
3)将步骤2)所得的石墨烯高分子量PE聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强PE聚合物复合材料。
实施例2
一种石墨烯增强的PP聚合物复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)取100重量份的分子量为4万以下的低分子量PP聚合物、5重量份的氧化石墨烯粉体、2重量份的碳黑、0.1重量份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，搅拌球磨的温度控制在60℃以下，搅拌速度为500r/min，搅拌球磨3小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2)取100重量份的分子量为30万的高分子量PP聚合物颗粒、1重量份的步骤1)所得的混合粉体、1重量份的茂铬催化剂，在常压和90℃的温度下密封搅拌混合2小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为1000r/min，制备得石墨烯高分子量PP聚合物混合料；
3)将步骤2)所得的石墨烯高分子量PP聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强的PP聚合物复合材料。
实施例3
一种石墨烯增强的PP聚合物复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)取100重量份的分子量为4万以下的低分子量PP聚合物、2重量份的氧化石墨烯粉体、0.5重量份的碳黑、1重量份的氨基硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，搅拌球磨的温度控制在60℃以下，搅拌速度为400r/min，搅拌球磨1小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2)取100重量份的分子量为4万的高分子量PP聚合物颗粒、0.5重量份的步骤1)所得的混合粉体、0.1重量份的茂铁催化剂，在常压和60℃的温度下密封搅拌混合1小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为500r/min，制备得石墨烯高分子量PP聚合物混合料；
3)将步骤2)所得的石墨烯高分子量PP聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强的PP聚合物复合材料。
表1石墨烯增强前后的PE或PP聚合物的各指标对照表
从表1可以看出，实施例1中石墨烯增强PE聚合物拉伸强度可提高126％，弹性模量提高118％，负荷变形温度、导热和导电性能都有不同程度的提高；实施例2和3中石墨烯增强PP聚合物拉伸强度可提高约100％，弹性模量提高约90％，负荷变形温度、导热和导电性能都有不同程度的提高。

Claims (7)

1.一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
1）取100重量份的低分子量PE或PP聚合物、2-5重量份的氧化石墨烯粉体、0.5-2重量份的碳黑、0.1-1重量份的硅烷偶联剂，放入密闭的搅拌球磨机中搅拌球磨，常温下搅拌球磨1-3小时，制备得氧化石墨烯均匀分散在碳黑中的混合粉体；
2）取100重量份的高分子量PE或PP聚合物颗粒、0.5-1重量份的步骤1）所得的混合粉体、0.1-1重量份的茂金属催化剂，在常压和60-90℃的温度下密封搅拌混合1-2小时后自然冷却至40℃以下，搅拌速度为500-1000r/min，制备得石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料；
3）将步骤2）所得的石墨烯高分子量PE或PP聚合物混合料进行挤出剪切捏合的造粒过程，形成石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述常温为60℃以下。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述搅拌球磨的搅拌速度为300-500r/min。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述低分子量PE或PP聚合物的分子量为4万以下。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述高分子量PE或PP聚合物的分子量为4万-30万。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强PE或PP聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述茂金属催化剂为茂钛、茂铁、茂铬中的至少一种。
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