CN106928646A - 一种石墨烯改性酚醛树脂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，通过在传统石墨用浸渍酚醛树脂添加一定量的石墨烯材料来提高树脂的导热能力及耐热性，并针对石墨烯材料与酚醛树脂相容性差的问题，采用硅烷偶联剂进行表面改性的方式降低二者的界面能差距，以此来提高石墨烯在树脂中的相容性；针对浸渍树脂粘度大，石墨烯难以分散的问题采用二次分散的方式来提高石墨烯的分散程度，提高材料的效率。
Description
技术领域
本发明属于树脂材料领域，特别涉及一种石墨烯改性酚醛树脂及其制备方法。
背景技术
传统化工行业生产中存在热能利用率低，造成设备中反应不充分，原料转换率低，因此在许多生产过程中，存在大量的化学原料、酸、碱同废水排放出去。这些废水如不经过处理而排放到外界环境中，不仅会造成水体或土壤酸化，对生态环境造成危害，而且造成大量资源浪费。石墨换热系统适应能力强、处理能力大因而被广泛应用于化工设备反应、废酸、废水、废气的回收再用等领域。但现有的石墨设备耐骤冷骤热能力差、导热性能不理想，其基础材料石墨所使用的浸渍树脂（主要是酚醛树脂）耐热温度不足，极大的限制了石墨设备在化工领域的推广以及自身往大型化、高端化发展的道路。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决石墨设备耐热能力差，导热性能不理想的问题，提高一种石墨烯改性酚醛树脂及其制备方法，采用石墨烯改性酚醛树脂制备的石墨设备导热系数得到明显提高。
技术方案：石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，包括如下几个步骤：
1）将硅烷偶联剂溶解在醇水混合物中，并搅拌均匀；
2）将步骤1）得到的混合物加入到搅拌炉中，升温并高速搅拌，然后将石墨烯加入其中并搅拌；
3）将步骤2）得到的混合物在80℃~200℃下热处理1-3小时，得到改性石墨烯；
4）在高速分散机中加入稀释剂，再加入第一部分酚醛树脂，进行第一搅拌速度搅拌直至酚醛树脂全部溶解，降低搅拌速度至第二搅拌速度，加入步骤3）得到的改性石墨烯，搅拌后得到预分散液；
5）在高速分散机中将步骤4）得到的预分散液加入到剩余酚醛树脂中，搅拌得到石墨烯改性酚醛树脂。
优选的，为了使偶联剂所带官能团与酚醛树脂易于发生化学反应，所述硅烷偶联剂采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的以任意比例混合的一种或几种。
优选的，所述石墨烯为单层或双层氧化石墨烯；氧化石墨烯表面活性高，有利于与硅烷偶联剂反应，而单层或双层的石墨烯在酚醛树脂中更易分散，并且单位质量比表面积更大，效果更好。
优选的，步骤2）所述的搅拌炉的搅拌速度为300~1000r/min，搅拌温度为60~85℃。
优选的，步骤1）所述的醇水混合物是乙醇和水的混合物，两者的体积比为乙醇：水=1：2。
优选的，步骤1）中各成份加入的质量比：硅烷偶联剂：醇水混合物：石墨烯=0.5~2：10~50：10~100。
优选的，步骤4）所述的稀释剂为乙醇或丙酮，各成份加入的质量比：石墨烯：稀释剂：第一部分酚醛树脂=5:5:2
优选的，步骤4）中第一搅拌速度为1000-2000r/min，第二搅拌速度为100-500r/min。
步骤5）所述的预分散液和剩余酚醛树脂的质量比为1:10~15。
本发明还提供了一种石墨烯改性酚醛树脂，由酚醛树脂、硅烷偶联剂和石墨烯反应得到。
有益效果：本发明提供的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，通过在传统石墨用浸渍酚醛树脂添加一定量的石墨烯材料来提高树脂的导热能力及耐热性，并针对石墨烯材料与酚醛树脂相容性差的问题，采用硅烷偶联剂进行表面改性的方式降低二者的界面能差距，以此来提高石墨烯在树脂中的相容性；针对浸渍树脂粘度大，石墨烯难以分散的问题采用二次分散的方式来提高石墨烯的分散程度，提高材料的效率。采用本发明改性的石墨设备用酚醛树脂其导热系数得到明显提高达到>120（W/m.K），使用温度提高到350℃，相比于未改性的酚醛树脂性能（导热系数在90-100（W/m.K）之间，使用温度<300℃），性能提升明显）。
具体实施方式
本发明提供了一种石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，包括如下几个步骤：
1）将硅烷偶联剂溶解在醇水混合物中，并在磁力搅拌机上搅拌0.5小时；醇水混合物是乙醇和水以体积比为1：2的比例混合的混合物；
2）将步骤1）得到的混合物加入到搅拌炉中，升温并高速搅拌，搅拌温度为60-85℃，搅拌速度为300~1000r/min，然后将石墨烯缓慢加入其中，待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
3）将步骤2）得到的混合物倒入坩埚中，在80℃~200℃下热处理1-3小时，得到改性石墨烯；
4）在高速分散机中加入稀释剂，再加入第一部分酚醛树脂，进行第一搅拌速度1000-2000r/min搅拌直至酚醛树脂全部溶解，降低搅拌速度至第二搅拌速度100-500r/min，加入步骤3）得到的改性石墨烯，搅拌后得到预分散液；
5）在高速分散机中将步骤4）得到的预分散液加入到剩余酚醛树脂中，搅拌得到石墨烯改性酚醛树脂。
优选的，为了使偶联剂所带官能团与酚醛树脂易于发生化学反应，所述硅烷偶联剂优选采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的以任意比例混合的一种或几种。本发明对所述的硅烷偶联剂的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的上述种类的偶联剂即可，可由市场购买获得。
优选的，所述石墨烯为单层或双层氧化石墨烯；氧化石墨烯表面活性高，有利于与硅烷偶联剂反应，而单层或双层的石墨烯在酚醛树脂中更易分散，并且单位质量比表面积更大，效果更好。本发明所述的石墨烯可由市场购买获得。
优选的，步骤1）中各成份加入的质量比：硅烷偶联剂：醇水混合物：石墨烯=0.5~2：10~50：10~100。
优选的，步骤4）所述的稀释剂为乙醇或丙酮，各成份加入的质量比：石墨烯：稀释剂：第一部分酚醛树脂=5:5:2
优选的， 步骤5）所述的预分散液和剩余酚醛树脂的质量比为1:10~15。
本发明所述酚醛树脂可由市场购买获得。
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，这些实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1：
γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷： 0.5kg
醇水混合物（乙醇：水=1:2）： 10kg
单层石墨烯： 10kg
乙醇： 10kg
酚醛树脂： 220kg
（1）将γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶解在醇水混合物，在磁力搅拌机上搅拌0.5h；
（2）将步骤（1）中的醇水混合物加入到搅拌炉中，升温到60℃并以300r/min高速搅拌，然后将石墨烯缓慢加入到其中，其中待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
（3）将步骤（2）得到的混合物倒入坩埚中，在80℃℃下热处理3小时得到改性石墨烯；
（4）在高速分散机中加入乙醇，然后加入4kg酚醛树脂中，转速为1000r/min搅拌，待酚醛树脂全部溶解后缓慢减低搅拌速度至100r/min，加入改性石墨烯，搅拌0.5h后得到预分散液；
（5）在高速分散机中将预分散液加入到剩余酚醛树脂中，以500r/min搅拌30min得到石墨烯改性酚醛树脂，采用DRL-II导热系数测定仪测定材料的导热系数为134.3（W/m.K）。
实施例2：
γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷： 0.5-2kg
醇水混合物（乙醇：水=1:2）： 20kg
单层石墨烯： 30kg
乙醇： 30kg
酚醛树脂： 700kg
（1）γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷溶解在醇水混合物，在磁力搅拌机上搅拌0.5h；
（2）将步骤（1）中的醇水混合物加入到搅拌炉中，升温到70℃并以400r/min高速搅拌，然后将石墨烯缓慢加入到其中，，其中待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
（3）将步骤（2）得到的混合物倒入坩埚中，在100℃下热处理2小时得到改性石墨烯；
（4）在高速分散机中加入乙醇，然后加入12kg酚醛树脂中，转速为1300r/min搅拌，待酚醛树脂全部溶解后缓慢减低搅拌速度至200r/min，加入改性石墨烯，搅拌0.5h后得到预分散液；
（5）在高速分散机中将预分散液加入到剩余酚醛树脂中，以500r/min搅拌30min得到石墨烯改性酚醛树脂，采用DRL-II导热系数测定仪测定材料的导热系数为124.3（W/m.K）。
实施例3：
γ-巯丙基三乙氧基硅烷： 1kg
醇水混合物（乙醇：水=1:2）： 30kg
单层石墨烯： 40kg
丙酮： 40kg
酚醛树脂： 850kg
（1）γ-巯丙基三乙氧基硅烷溶解在醇水混合物，在磁力搅拌机上搅拌0.5h；
（2）将步骤（1）中的醇水混合物加入到搅拌炉中，升温到80℃并以500r/min高速搅拌，然后将石墨烯缓慢加入到其中，，其中待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
（3）将步骤（2）得到的混合物倒入坩埚中，在120℃下热处理2小时得到改性石墨烯；
（4）在高速分散机中加入丙酮，然后加入16kg酚醛树脂中，转速为1500r/min搅拌，待酚醛树脂全部溶解后缓慢减低搅拌速度至300r/min，加入改性石墨烯，搅拌0.5h后得到预分散液；
（5）在高速分散机中将预分散液加入到剩余酚醛树脂中，以500r/min搅拌30min得到石墨烯改性酚醛树脂，采用DRL-II导热系数测定仪测定材料的导热系数为141.6（W/m.K）。
实施例4：
γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷： 1kg
γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷 1kg
醇水混合物（乙醇：水=1:2）： 30kg
双层石墨烯： 40kg
丙酮： 40kg
酚醛树脂： 900kg
（1）将γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷溶解在醇水混合物，在磁力搅拌机上搅拌0.5h；
（2）将步骤（1）中的醇水混合物加入到搅拌炉中，升温到85℃并以1000r/min高速搅拌，然后将石墨烯缓慢加入到其中，其中待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
（3）将步骤（2）得到的混合物倒入坩埚中，在200℃下热处理1小时得到改性石墨烯；
（4）在高速分散机中加入稀释剂，然后加入16kg酚醛树脂中，转速为2000r/min搅拌，待酚醛树脂全部溶解后缓慢减低搅拌速度至500r/min，加入改性石墨烯，搅拌0.5h后得到预分散液；
（5）在高速分散机中将预分散液加入到剩余酚醛树脂中，以500r/min搅拌30min得到石墨烯改性酚醛树脂，采用DRL-II导热系数测定仪测定材料的导热系数为138.1（W/m.K）。
实施例5：
γ-巯丙基三甲氧基硅烷： 2kg
醇水混合物（乙醇：水=1:2）： 50kg
双层石墨烯： 100kg
丙酮： 100kg
酚醛树脂： 2500kg
（1）γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶解在醇水混合物，在磁力搅拌机上搅拌0.5h；
（2）将步骤（1）中的醇水混合物加入到搅拌炉中，升温到85℃并以1000r/min高速搅拌，然后将石墨烯缓慢加入到其中，，其中待石墨烯加入完成后，继续搅拌0.5小时；
（3）将步骤（2）得到的混合物倒入坩埚中，在200℃下热处理1-3小时得到改性石墨烯；
（4）在高速分散机中加入丙酮，然后加入40kg酚醛树脂中，转速为1000r/min搅拌，待酚醛树脂全部溶解后缓慢减低搅拌速度至500r/min，加入改性石墨烯，搅拌0.5h后得到预分散液；
（5）在高速分散机中将预分散液加入到剩余酚醛树脂中，以500r/min搅拌30min得到石墨烯改性酚醛树脂，采用DRL-II导热系数测定仪测定材料的导热系数为122.5（W/m.K）。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，包括如下几个步骤：
1）将硅烷偶联剂溶解在醇水混合物中，并搅拌均匀；
2）将步骤1）得到的混合物加入到搅拌炉中，升温并高速搅拌，然后将石墨烯加入其中并搅拌；
3）将步骤2）得到的混合物在80℃~200℃下热处理1-3小时，得到改性石墨烯；
4）在高速分散机中加入稀释剂，再加入第一部分酚醛树脂，进行第一搅拌速度搅拌直至酚醛树脂全部溶解，降低搅拌速度至第二搅拌速度，加入步骤3）得到的改性石墨烯，搅拌后得到预分散液；
5）在高速分散机中将步骤4）得到的预分散液加入到剩余酚醛树脂中，搅拌得到石墨烯改性酚醛树脂。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的以任意比例混合的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，所述石墨烯为单层或双层氧化石墨烯。
4.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤2）所述的搅拌炉的搅拌速度为300~1000r/min，搅拌温度为60~85℃。
5.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的醇水混合物是乙醇和水的混合物，两者的体积比为乙醇：水=1：2。
6.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤1）中各成份加入的质量比：硅烷偶联剂：醇水混合物：石墨烯=0.5~2：10~50：10~100。
7.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤4）所述的稀释剂为乙醇或丙酮，各成份加入的质量比：石墨烯：稀释剂：第一部分酚醛树脂=5:5:2。
8.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤4）中第一搅拌速度为1000~2000r/min，第二搅拌速度为100~500r/min。
9.根据权利要求1所述的石墨烯改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤5）所述的预分散液和剩余酚醛树脂的质量比为1:10~15。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的制备方法所制备的石墨烯改性酚醛树脂，由酚醛树脂、硅烷偶联剂和石墨烯反应得到。
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