CN106675017A - 一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料，包括以下质量份数制成：PA66 40‑80份、玻璃纤维30‑60份、石墨烯0.8‑3份、纳米氧化锌0.5‑1.5份、表面活性剂0.3‑2份、分散剂0.1‑1份、偶联剂0.5‑2.5份、抗氧剂0.1‑0.6份，本发明采用PA66作为塑料基料并利用石墨烯进行改性，提高了塑料的力学性能，且石墨烯进行了纳米氧化锌插层改性，显著提高了石墨烯的分散性能，配合其他辅助添加剂共同交联作用于塑料，大大提高了塑料的强韧性，具有优良的防穿刺性能，轻巧实用。
Description
技术领域
本发明涉及塑料改性技术领域，具体涉及一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
背景技术
防穿刺材料要求具有高的剪切强度、耐冲击性能以及高模量等特点，所以需要特殊的材料。在包括中国的很多国家，枪械的使用在一定程度上受到严格的限制，而来自匕首、刺刀等锐器的威胁却随处可见，这使得防刺材料的研究开发工作成为研究的热点，但目前防穿刺材料存在重量重、厚度大、价格高等缺点，用作防刺服时舒适性差。而石墨烯是一种由碳原子构成的片状新型材料，具有优异的耐热性、机械性能、电性能、传输性能、气体屏障性能及热电性能。石墨烯可以与基体树脂进行复合，从而大幅度地提升材料的拉升强度，抗冲击性能以及导热导电性能，因此，石墨烯被视作为一种优异的纳米填料。但是，石墨烯纳米片层之间存在着强烈的分子间作用力，导致石墨烯片层容易团聚，难以在树脂中分散，这就会大幅度降低石墨烯填料对树脂的增韧增强作用。为了解决这个问题，就需要对石墨烯表面改性，提升其在树脂中的分散稳定性，同时还需要提升石墨烯与基体树脂之间的界面结合作用，从而提高石墨烯改性材料防穿刺的综合能力。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料，采用经纳米氧化锌插层改性的石墨烯对PA66进行补强改性，分散性好，显著降低了团聚现象，配合其他辅助添加剂共同交联作用于塑料，大大提高了塑料的强韧性，具有优良的防穿刺性能，轻巧实用。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 40-80份、玻璃纤维30-60份、石墨烯0.8-3份、纳米氧化锌0.5-1.5份、表面活性剂0.3-2份、分散剂0.1-1份、偶联剂0.5-2.5份、抗氧剂0.1-0.6份。
优选的，高强度石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 60-80份、玻璃纤维50-60份、石墨烯2-3份、纳米氧化锌1-1.5份、表面活性剂1.5-2份、分散剂0.7-1份、偶联剂2-2.5份、抗氧剂0.4-0.6份。
优选的，所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括0-1份的纳米膨润土、引发剂0.1-0.3份。
优选的，所述表面活性剂为质量比2-3∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
优选的，所述分散剂为质量比1∶1的壳聚糖和β-环糊精的组合物。
优选的，所述偶联剂为质量比1∶2的乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷的组合物。
优选的，高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1-1.5h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于溶剂中，然后调节pH值为9.5-10.2，在45-50℃条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理25-30s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
优选的，步骤2)中溶剂为甲醇或乙醇或两者的组合物，超声频率为25-28kHz。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用具有优良抗冲击性和强度的PA66作为塑料基料，提供了有效的力学性能基础，石墨烯、玻璃纤维、纳米氧化锌配合其他辅助添加剂共同交联作用于塑料，大大提高了塑料的强韧性，具有优良的防穿刺性能，轻巧实用。
先将石墨烯进行纳米氧化锌的插层改性，加大了石墨烯的层间距离，显著提高了石墨烯的分散性能，降低了团聚现象，且氧化锌具有一定的杀菌效果，针对PA66的强吸湿性能有效降低细菌的寄生繁殖，适用于防刺服的制作；然后采用PA66作为塑料基料并利用纳米插层石墨烯进行改性，显著提高了塑料的力学性能，玻璃纤维也具有补强增韧的效果，且玻璃纤维的添加大大减小了塑料的收缩率。
在制备过程中，先将石墨烯与纳米氧化锌进行球磨研磨，大大提高了两者间的穿插度，然后在表面活性剂和超声处理的促进作用下，纳米氧化锌的插层率提高了25％-28％，不仅加大了石墨烯的层间距离，也有利于石墨烯的空间结构稳定，大大提高了石墨烯的综合性能；在进行塑料造粒之前先将纳米插层石墨烯和玻璃纤维采用氧气等离子体处理，显著提高了表面基团的活性，加深了交联聚合的程度，大大提高了最终塑料的综合性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 45份、玻璃纤维60份、石墨烯0.8份、纳米氧化锌0.7份、表面活性剂1.5份、分散剂0.4份、偶联剂0.9份、抗氧剂0.4份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.2h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为9.6，在46℃、27kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理25s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括0.4份的纳米膨润土、引发剂0.3份。具体的在制备过程中，纳米膨润土、引发剂在步骤2)中同表面活性剂一同加入。表面活性剂为质量比2.5∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例2：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 80份、玻璃纤维50份、石墨烯1.5份、纳米氧化锌1.3份、表面活性剂1.1份、分散剂0.8份、偶联剂1.5份、抗氧剂0.6份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.4h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为9.8，在48℃、26kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理28s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括0.8份的纳米膨润土、引发剂0.1份。具体的在制备过程中，纳米膨润土、引发剂在步骤2)中同表面活性剂一同加入。表面活性剂为质量比2.2∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例3：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 75份、玻璃纤维55份、石墨烯2.2份、纳米氧化锌1.5份、表面活性剂0.9份、分散剂1份、偶联剂2.4份、抗氧剂0.1份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.3h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为10，在49℃、28kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理30s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括0份的纳米膨润土、引发剂0.2份。具体的在制备过程中，纳米膨润土、引发剂在步骤2)中同表面活性剂一同加入。表面活性剂为质量比3∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例4：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 60份、玻璃纤维30份、石墨烯2.6份、纳米氧化锌1份、表面活性剂0.3份、分散剂0.6份、偶联剂2份、抗氧剂0.3份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.1h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为10.2，在50℃、25kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理27s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括1份的纳米膨润土、引发剂0.2份。具体的在制备过程中，纳米膨润土、引发剂在步骤2)中同表面活性剂一同加入。表面活性剂为质量比2∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例5：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 50份、玻璃纤维45份、石墨烯3份、纳米氧化锌0.5份、表面活性剂2份、分散剂0.7份、偶联剂1.3份、抗氧剂0.5份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为9.5，在45℃、25kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理26s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
表面活性剂为质量比2.4∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例6：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 40份、玻璃纤维40份、石墨烯1份、纳米氧化锌0.9份、表面活性剂0.5份、分散剂0.1份、偶联剂2.5份、抗氧剂0.4份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.5h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为9.9，在47℃、27kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理28s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
表面活性剂为质量比2.8∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
实施例7：
一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA66 70份、玻璃纤维50份、石墨烯2份、纳米氧化锌1.2份、表面活性剂1.7份、分散剂0.3份、偶联剂0.5份、抗氧剂0.2份。
高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1.4h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于甲醇或乙醇或两者的组合物中，然后调节pH值为10.1，在46℃、26kHz条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理27s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
表面活性剂为质量比2.5∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
将本发明实施例制备的产品作为实验组并与市售PA66作为对照组进行性能检测对比，数据如下：
其中实验组数据为本发明7个实施例的平均值。
| 实验组 | 对照组 | |
| 拉伸强度，MPa | 184 | 75 |
| 弯曲强度，MPa | 221 | 103 |
| 弯曲模量，MPa | 4895 | 2670 |
| 冲击强度，kJ/m2 | 85 | 62 |
| 湿度，％ | 2.72 | 2.63 |
| 抗菌率，％ | 84 | 41 |
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于，所述高强度石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA6640-80份、玻璃纤维30-60份、石墨烯0.8-3份、纳米氧化锌0.5-1.5份、表面活性剂0.3-2份、分散剂0.1-1份、偶联剂0.5-2.5份、抗氧剂0.1-0.6份。
2.根据权利要求1所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于：所述高强度石墨烯改性塑料包括以下质量份数制成：PA6660-80份、玻璃纤维50-60份、石墨烯2-3份、纳米氧化锌1-1.5份、表面活性剂1.5-2份、分散剂0.7-1份、偶联剂2-2.5份、抗氧剂0.4-0.6份。
3.根据权利要求1或2所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于：所述高强度防穿刺石墨烯改性塑料还包括0-1份的纳米膨润土、引发剂0.1-0.3份。
4.根据权利要求1或2所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于：所述表面活性剂为质量比2-3∶1的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的组合物。
5.根据权利要求1或2所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于：所述分散剂为质量比1∶1的壳聚糖和β-环糊精的组合物。
6.根据权利要求1或2所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料，其特征在于：所述偶联剂为质量比1∶2的乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷的组合物。
7.根据权利要求1或2所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)按重量份称取，将石墨烯与纳米氧化锌置于球磨机中混合研磨1-1.5h，得混合物，备用；
2)将步骤1)中的混合物与表面活性剂溶于溶剂中，然后调节pH值为9.5-10.2，在45-50℃条件下超声处理2h，回收溶剂，然后进行离心分离，水洗至中性，并在真空条件下干燥得纳米插层石墨烯；
3)将步骤2)中的纳米插层石墨烯与玻璃纤维共混，采用氧气等离子体处理25-30s，然后加入剩余物料共混，并送至双螺杆塑料挤出机挤出造粒，即得高强度防穿刺石墨烯改性塑料。
8.根据权利要求7所述的高强度防穿刺石墨烯改性塑料的制备方法，其特征在于：步骤2)中溶剂为甲醇或乙醇或两者的组合物，超声频率为25-28kHz。
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