CN106893320A - 石墨烯改性树脂原料及其制备方法与改性树脂制备方法 - Google Patents

石墨烯改性树脂原料及其制备方法与改性树脂制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯改性树脂原料及该原料制备方法与改性树脂的制备方法，属于工程塑料技术领域。该石墨烯包覆纳米金属改性树脂原料，包括按照重量百分比计的如下组分：聚合物树脂75％～90％；石墨烯包覆纳米金属粉末8％～15％，纳米炭黑粉末3％～10％，各组分之和总计为100％。由该原料制得的石墨烯包覆纳米金属改性树脂，兼具高刚性，高强度，高韧性，良好的抗静电性以及卓越的散热性等优良性能。

Description

石墨烯改性树脂原料及其制备方法与改性树脂制备方法
技术领域
本发明属于工程塑料技术领域，具体涉及一种石墨烯改性树脂原料及其制备方法与改性树脂制备方法。
背景技术
以聚酰胺(PA)，聚碳酸酯(PC)，聚甲醛(POM)，聚苯醚(PPO)以及热塑性聚酯(PBT,PET)为代表的五大工程塑料，目前已广泛应用于电子电器，汽车零部件，建筑材料，日用消费品，信息技术乃至航天航空等领域，成为现代制造业中不可或缺的材料以及衡量一国工业发展水平的重要标志，其重要性正在与日俱增。
现有制备复合工程塑料的主要技术路径，是通过玻璃纤维对塑料树脂进行增强改性，使得经改性后的复合材料兼备热塑性树脂和玻璃纤维各自的优良性能，既具备一定的强度和刚性(主要来自于玻璃纤维)，又具备一定的韧性与易加工性(主要来自于塑料树脂)，在以塑代钢方面获得突破性进展。
然而上述方法仍存在以下不足：第一：受制于玻纤本身的力学性能，而且复合材料中的玻纤含量也不能太高(最高只能达到60％)，经玻纤增强的工程塑料在力学性能，尤其是刚性和强度方面，与传统金属材料仍无法比拟，离大规模以塑代钢这一终极目标仍有相当大的差距，市场一直在期盼一种性能更优良的复合工程塑料，以突破玻璃纤维自身的性能极限。第二：高含量的玻纤增加了复合材料的成型难度和设备损耗程度，导致生产过程中间接成本的升高。第三：玻纤含量的存在增加了复合材料的刚性和强度，却削弱了塑料树脂本身固有的韧性，材料的刚性和韧性无法同时兼顾，成为以玻纤来对工程塑料进行复合改性时一个无法克服的难题。第四：以玻璃纤维对塑料材料进行复合改性，玻纤本身只能作为一种增强剂发挥作用，对复合材料的刚性和强度有一定程度的改善，但对复合材料的其他性能要求，如抗静电以及散热等性能，几乎起不到任何作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种石墨烯改性树脂原料及其制备方法与改性树脂制备方法，由该原料制得的石墨烯改性树脂，兼具高刚性，高强度，高韧性，良好的抗静电性以及卓越的散热性等优良性能。
本发明采用如下技术方案：
石墨烯改性树脂原料，包括按照重量百分比计的如下组分：
聚合物树脂75％～90％；
石墨烯包覆纳米金属粉末8％～15％；
纳米炭黑粉末3％～10％，各组分之和总计为100％。
更进一步地，所述聚合物树脂为聚酰胺。
更进一步地，所述聚合物树脂为PA66。
更进一步地，所述石墨烯包覆纳米金属粉末为石墨烯包覆纳米铜粉末。
所述石墨烯改性树脂原料的制备方法，步骤如下：
步骤一：将纳米金属粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆纳米金属粉末；
步骤二：按照所述重量配比，将聚合物树脂、步骤一制得的石墨烯包覆纳米金属粉末、纳米炭黑粉末混合均匀，经挤出造粒，得石墨烯改性树脂原料。
更进一步地，步骤一中所述纳米金属粉末为纳米铜粉末、纳米不锈钢或纳米铝中的一种。
更进一步地，步骤二中所述挤出造粒时的温度为258～270℃。
用所述石墨烯改性树脂原料制备石墨烯改性树脂的方法，具体如下：将石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂按比例混合均匀，经挤出造粒，得石墨烯改性树脂。
更进一步地，所述石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂的质量比为2～7:93～98。
更进一步地，所述挤出造粒时的温度为260～280℃。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
第一：本发明制得的材料的力学性能，特别是刚性及强度有明显的改善，材料的弯曲模量，拉伸强度以及抗冲击强度这三个关键指标较玻纤增强尼龙大大提高，更接近于金属铜；其中，拉伸强度及抗冲击强度较30％玻纤增强PA66材料提升约100％，而材料的弯曲模量则增加了十倍以上；
第二：与动辄30％乃至60％的玻纤含量相比，经纳米铜-石墨烯改性后的复合尼龙材料的密度降低了15％左右，这样可以大大减轻塑料部件的重量，实现塑料制品轻型化，在汽车工业，航天航空以及体育用品等领域将会大有可为；
第四：玻纤增强尼龙材料由于添加了较高的玻纤成分，导致流动性大大降低，成型困难，而且在塑料成型过程中，因为玻纤的收缩率在横向和纵向上有很大的差距，导致成型制品发生翘曲变形，严重影响到塑料制品的外观平整度与尺寸精度，而本发明材料的成型收缩率在纵向与横向上几乎一致，可以完全克服这一问题；
第五：因为高玻纤含量的存在，以玻纤增强尼龙材料成型而成的塑料制品，其表面往往会出现很多纤维条纹，即俗称的玻璃浮纤，严重影响到塑料制品的外观及表面效果。而使用本发明材料来成型，塑料制品的表面不仅没有出现玻璃浮纤，甚至得到了具有部分金属光泽的表面效果；
第六：同样是因为高玻纤含量的存在，玻纤增强尼龙在成型过程中，对成型设备，如注塑机的螺杆等有较大的磨损，设备的定期维修与保养成为工厂生产过程中无法回避的一项经营成本。而使用本发明材料成型，设备几乎不会受到任何磨损，由此而产生的设备维修与保养成本完全可以忽略不计，生产的连续性大大加强；
第七：石墨烯具备极其优良的导电性，而由其包覆的纳米铜避免了被空气的氧化，保有金属活性状态，石墨烯与金属铜同时作用于PA66基体树脂，极大程度地提高了复合材料的抗静电性乃至导电性能，并且极大地提高了材料的抗电磁干扰性能，在通讯，航空以及军事等众多领域发挥重大的作用。从表一中可以看出，本发明材料的体积电阻率为105量级，材料已经从绝缘级直接跨入到导电级；
第八：石墨烯与金属铜均具有良好的散热性能，通过与PA66共混改性，可以显着地提高复合材料的散热性能，大幅延长材料的使用范围及使用寿命，本发明材料的导热系数较玻纤增强PA66提升了近十倍，接近镁和铝等金属的导热性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。本发明中所用试剂原料，如无特别说明，均可通过购买得到。本发明中使用的纳米炭黑粉末主要起两个作用，一是作为着色剂，覆盖纳米金属本身的颜色，最终制成高光泽的黑色复合材料；二是作为导电剂，可以在一定程度上提高塑料树脂的导电与抗静电性能。本发明中所使用的纳米铜粉末，其粒径为20～30nm,纳米炭黑粉末的粒径为35～50nm。本发明中使用的石墨烯包覆纳米金属粉末，是以液相低聚物为碳源，例如液态丙烯腈低聚物，通过固相烧结的方法制备而成。
实施例1
石墨烯改性树脂原料，包括按照重量百分比计的如下组分：
PA66 75％；
石墨烯包覆纳米不锈钢粉末 15％；
纳米炭黑粉末 10％。
所述石墨烯改性树脂原料的制备方法，步骤如下：
步骤一：将纳米不锈钢粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆纳米铜粉末；
步骤二：按照所述重量配比，将聚合物树脂、步骤一制得的石墨烯包覆纳米不锈钢粉末、纳米炭黑粉末混合均匀，于258℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂原料。
将得到的石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂按质量比为2:98的比例混合均匀，于260℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂。
实施例2
石墨烯改性树脂原料，包括按照重量百分比计的如下组分：
PA66 85％；
石墨烯包覆纳米铜粉末 10％；
纳米炭黑粉末 5％。
所述石墨烯改性树脂原料的制备方法，步骤如下：
步骤一：将纳米铜粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆纳米铜粉末；
步骤二：按照所述重量配比，将聚合物树脂、步骤一制得的石墨烯包覆纳米铜粉末、纳米炭黑粉末混合均匀，于260℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂原料。
将得到的石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂按质量比为5:95的比例混合均匀，于265℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂。
实施例3
石墨烯改性树脂原料，包括按照重量百分比计的如下组分：
PA66 89％；
石墨烯包覆纳米铝粉末 8％；
纳米炭黑粉末 3％。
所述石墨烯改性树脂原料的制备方法，步骤如下：
步骤一：将纳米铝粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆纳米铝粉末；
步骤二：按照所述重量配比，将聚合物树脂、步骤一制得的石墨烯包覆纳米铝粉末、纳米炭黑粉末混合均匀，于270℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂原料。
将得到的石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂按质量比为7:93的比例混合均匀，于280℃下挤出造粒，得石墨烯改性树脂。
对实施例1至3制备的石墨烯改性树脂、及对照例PA66添加30％玻璃纤维后得到的树脂进行性能检测，结果如下表1所示：
表1 性能测试
由上表可见，本发明制得的石墨烯改性树脂具有优于的性能，其各项性能均优于传统的玻璃纤维改性PA66树脂
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.石墨烯改性树脂原料，其特征在于，包括按照重量百分比计的如下组分：
聚合物树脂75％～90％；
石墨烯包覆纳米金属粉末8％～15％；
纳米炭黑粉末3％～10％，各组分之和总计为100％。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性树脂原料，其特征在于：所述聚合物树脂为聚酰胺。
3.根据权利要求2所述的石墨烯改性树脂原料，其特征在于：所述聚合物树脂为PA66。
4.根据权利要求1所述的石墨烯改性树脂原料，其特征在于：所述石墨烯包覆纳米金属粉末为石墨烯包覆纳米铜粉末。
5.权利要求1所述的石墨烯改性树脂原料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将纳米金属粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆纳米金属粉末；
步骤二：按照所述重量配比，将聚合物树脂、步骤一制得的石墨烯包覆纳米金属粉末、纳米炭黑粉末混合均匀，经挤出造粒，得石墨烯改性树脂原料。
6.根据权利要求5所述的石墨烯改性树脂原料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述纳米金属粉末为纳米铜粉末、纳米不锈钢或纳米铝中的一种。
7.根据权利要求5所述的石墨烯改性树脂原料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述挤出造粒时的温度为258～270℃。
8.用权利要求1所述的石墨烯改性树脂原料制备改性树脂的方法，其特征在于，具体如下：将石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂按比例混合均匀，经挤出造粒，得石墨烯改性树脂。
9.根据权利要求8所述的用石墨烯改性树脂原料制备改性树脂的方法，其特征在于，所述石墨烯改性树脂原料与聚合物树脂的质量比为2～7:93～98。
10.根据权利要求8所述的用石墨烯包覆纳米金属改性树脂原料制备改性树脂的方法，其特征在于，所述挤出造粒时的温度为260～280℃。
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