CN107022113B - 一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯复合材料应用领域，具体涉及一种石墨烯母料，特别涉及一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料及制备方法。通过将石墨烯依附于发泡剂，通过对石墨烯‑发泡剂分散体喷雾,利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料对石墨烯‑发泡剂体系进行冷凝造粒，使得到的石墨烯母料中石墨烯‑发泡剂体系分散均匀，较佳的保留了石墨烯与发泡剂稳定的依附链接。该石墨烯母料用于聚合物时，在高温混炼时发泡剂微发泡快速汽化膨胀，在膨胀过程中对与其相依附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于聚合物体中。克服了石墨烯采用原位聚合法、溶液混合法分散于聚合物中工艺复杂的缺陷，以及利用直接共混法将石墨烯分散于聚合物易团聚的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料应用领域，具体涉及一种石墨烯母料，特别涉及一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料及制备方法。
背景技术
石墨烯有着良好的导电性、导热性以及极高的强度，是人类已知强度最高的物质。石墨烯的应用范围非常广泛，特别适用于复合材料，能够赋予材料超乎想象的性能。例如高强塑料、高强橡胶、高导热聚酯等，对现有材料升级换代产生深远的影响。石墨烯复合材料可代替金属或玻璃钢而应用于新能源汽车车辆壳体及其他部件，其优点是质量轻，转运、组装更省力，并且可降低生产线上工人的劳动强度、 降低车辆燃油消耗及提高车辆载荷量。因此，石墨烯在增强以及减量化方面具有巨大的应用前景。
理论上，石墨烯粉末作为一种填料可以混入树脂中直接使用或者预先制备成高浓度母料再方便的添加于树脂中使用。然而，鉴于石墨烯为原子级别的层结构，在树脂中的增强功能是依靠石墨烯与树脂分子链的缠绕而产生。如果不能有效将原子级别的石墨烯分散于树脂中，其增强性的发挥会大幅缩减。另一方面，石墨烯在存储时，通常因纳米粒子效应而团聚，无论是直接用于树脂还是预制母料，均需要分散处理。显然，现有常规的以分散助剂为主的分散手段是难以将石墨烯有效分散的。
目前，石墨烯常规的用于增强主要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聚合物链段结合，氧化石墨烯由于石墨烯特殊结构受损，对聚合物的缠绕明显下降，增强性能减弱。这对将石墨烯用于增强领域是致命的。但未经改性处理的原始石墨烯因为呈表面惰性，难以与大多数高分子聚合物基体进行有效分散复合，其分散性和与聚合物基体的相互缠绕作用是获得高性能复合材料的两个关键因素。真是基于这一缺陷，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复合材料产业化应用的进程。
为了获得石墨烯良好的分散，本领域技术人员就石墨烯的分散条件进行了深入的研究。如采用原位聚合法、溶液混合法、熔融共混法等。但采用原位聚合法、溶液混合法使用单体，且反应工艺复杂，需要专用设备，难以大规模推广应用。直接共混法是一种较为简便的方法，但难以解决石墨烯分散团聚的问题。
据文献报告，大量研究通过添加不同类型的分散剂或者改性的方式来提高石墨烯的分散效果，但是石墨烯在水或其他液体溶液中难以保证均匀分散；而采用添加分散剂的方式提高石墨烯的分散程度，虽然是当前解决分散问题的主要方法，但该方式容易引入其他杂质，对后续结果产生影响。如果依靠对石墨烯进行过度的改性增加分散性，则会造成石墨烯缺陷，影响增强效果。
因此，如何找到一种能够均匀分散石墨烯的方法，解决石墨烯易团聚的问题，已成为石墨烯应用领域亟待解决的重要问题。
发明内容
针对现有石墨烯采用原位聚合法、溶液混合法分散于聚合物中工艺复杂的缺陷，以及利用直接共混法将石墨烯分散于聚合物易团聚的问题。本发明提出一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料，该石墨烯母料是将石墨烯与发泡剂在低温条件下研磨分散，使石墨烯均匀分散于发泡剂，利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料对石墨烯-发泡剂体系进行冷凝造粒，得到的一种石墨烯母料。其显著的优势是该石墨烯母料用于聚合物，在高温混炼时发泡剂微发泡快速汽化膨胀，在膨胀过程中对与其相附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于聚合物体中。相较于石墨烯直接分散于聚合物中，本发明石墨烯母料的分散性能大幅提升。
进一步，提供一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料的制备方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料的制备方法，其特征在于: 利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料对石墨烯-发泡剂体系进行冷凝造粒；具体制备方法如下：
（1）将60-70重量份的石墨烯、10-15重量份的发泡剂在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；其中所述发泡剂选用塑料、橡胶常用的发泡剂；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
优选的，步骤（1）所述发泡剂选用碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺中的一种。
优选的，步骤（2）所述高温熔融、低温冷凝属性的材料选用石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、硫磺、松香树脂、古马隆树脂中的一种。
进一步优选的，步骤（2）所述高温熔融、低温冷凝属性的材料依据用途和发泡剂的发泡温度选用，如为了避免引入的材料不对现有高分子材料加工性能产生负面影响，石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸制备的石墨烯母料常用于塑料聚合物，硫磺、松香树脂、古马隆树脂常用于橡胶聚合物。
进一步优选的，步骤（2）所述高温熔融、低温冷凝属性的材料的熔化温度低于发泡剂的发泡温度。
一个较佳的选择是碳酸氢钠与硬脂酸组合，碳酸氢钠在高于100℃发泡，而硬脂酸在80℃融化，即石墨与发泡剂碳酸氢钠在低温下研磨分散后，石墨烯-碳酸氢钠分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-碳酸氢钠分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；硬脂酸在80℃熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-碳酸氢钠分散体遇到横向帘，硬脂酸形成的横向帘与石墨烯-碳酸氢钠分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。将该石墨烯母料应用于树脂聚合物中，在加工体系达到100℃时，硬脂酸完全熔融，碳酸氢钠开始出现微发泡，在微发泡膨胀过程中将与其相附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于树脂聚合物体中。
一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料，其特征是由上述方法制备得到的石墨烯母料。应用于塑料、橡胶高分子聚合物中时，具有微发泡功能，且石墨烯依附于发泡剂的发泡推动及拉伸从而均匀分散于聚合物中。
限于石墨烯采用原位聚合法、溶液混合法分散于聚合物中工艺复杂的缺陷，以及利用直接共混法将石墨烯分散于聚合物易团聚的问题，本发明提出一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料及制备方法，通过将石墨烯依附于发泡剂，通过对石墨烯-发泡剂分散体喷雾,利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料对石墨烯-发泡剂体系进行冷凝造粒，得到的一种石墨烯母料。首先石墨烯-发泡剂分散体在母料中的分散是均匀的,特别是将该石墨烯母料用于聚合物中具有进一步的微发泡拉伸分散优势。主要是源于我们创造性的将石墨烯依附于发泡剂，将该石墨烯母料用于聚合物时，在高温混炼时发泡剂微发泡快速汽化膨胀，在膨胀过程中对与其相依附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于聚合物体中。该石墨烯母料不同于目前技术条件下将石墨烯通过分散剂、溶剂等分散制备的母料。而是利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料，均属于聚合物加工用的常规原料，不会对聚合物产生负面影响，发泡剂完成对石墨烯拉伸分散后以气体形式排除。更为重要的是该石墨烯母料同传统母料一样直接添加使用，对设备无特殊要求。
本发明一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、通过对石墨烯-发泡剂体系进行冷凝造粒，使得到的石墨烯母料中石墨烯-发泡剂体系分散均匀，较佳的保留了石墨烯与发泡剂稳定的依附链接。
2、本发明石墨烯母料用于聚合物时，在高温混炼时发泡剂微发泡快速汽化膨胀，在膨胀过程中对与其相依附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于聚合物体中。克服了石墨烯采用原位聚合法、溶液混合法分散于聚合物中工艺复杂的缺陷，以及利用直接共混法将石墨烯分散于聚合物易团聚的问题。
3、本发明石墨烯母料制备工艺简单，对设备无特殊要求，适合于规模化生产和应用，为石墨烯在聚合物中的规模化应用提供了技术支撑。
附图说明
图1 为实施例1得到的石墨烯母料以5%质量比与95%的PP直接在螺杆中混炼分散的扫描电镜图。
图2 为实施例2得到的石墨烯母料以5%质量比与95%的橡胶体在螺杆中混炼分散的扫描电镜图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将60重量份的石墨烯、10重量份的发泡剂碳酸氢钠在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料硬脂酸在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料硬脂酸形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
碳酸氢钠与硬脂酸组合，碳酸氢钠在高于100℃发泡，而硬脂酸在80℃融化，即石墨与发泡剂碳酸氢钠在低温下研磨分散后，石墨烯-碳酸氢钠分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-碳酸氢钠分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；硬脂酸在80℃熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-碳酸氢钠分散体遇到横向帘，硬脂酸形成的横向帘与石墨烯-碳酸氢钠分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
将实施例1得到的具有微发泡分散功能的石墨烯母料以5%质量比与95%的PP直接在螺杆中混炼分散, 在加工体系达到100℃时，硬脂酸完全熔融，碳酸氢钠开始出现微发泡，在微发泡膨胀过程中将与其相附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于PP树脂中。其通过扫描电镜观测,其石墨烯分散均匀(见附图1)。
实施例2
（1）将65重量份的石墨烯、15重量份的发泡剂偶氮二甲酰胺在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料古马隆树脂在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料硬古马隆树脂形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
偶氮二甲酰胺与古马隆树脂组合，偶氮二甲酰胺在高于200℃发泡，而古马隆树脂在120℃融化，即石墨与发泡剂偶氮二甲酰胺在低温下研磨分散后，石墨烯-偶氮二甲酰胺分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-偶氮二甲酰胺分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；硬脂酸在80℃熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-偶氮二甲酰胺分散体遇到横向帘，古马隆树脂形成的横向帘与石墨烯-偶氮二甲酰胺分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
将实施例2得到的具有微发泡分散功能的石墨烯母料以5%质量比与95%的橡胶体直接在螺杆中混炼分散, 在加工体系达到1200℃时，硬脂酸完全熔融，偶氮二甲酰胺开始出现微发泡，在微发泡膨胀过程中将与其相附的石墨烯产生推动及拉伸，从而将石墨烯均匀分散于橡胶体中，有效克服了石墨烯在橡胶体中难以分散的缺陷。其通过扫描电镜观测,其石墨烯分散均匀(见附图2)。
实施例3
（1）将70重量份的石墨烯、10重量份的发泡剂碳酸氢钠在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料石蜡在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料石蜡形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
实施例4
（1）将65重量份的石墨烯、12重量份的发泡剂偶氮二甲酰胺在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料硫磺在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料硫磺形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
Claims (4)
1.一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料的制备方法，其特征在于: 利用具有高温熔融、低温冷凝属性的材料对石墨烯-发泡剂体系进行冷凝造粒；具体制备方法如下：
（1）将60-70重量份的石墨烯、10-15重量份的发泡剂在低温条件下研磨分散，使石墨烯与发泡剂均匀的分散形成石墨烯-发泡剂分散体；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯-发泡剂分散体送入喷雾冷凝装置，其中，石墨烯-发泡剂分散体在喷雾冷凝装置顶端通过高压液氮气流向下以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置；高温熔融、低温冷凝属性的材料在喷雾冷凝装置的中部熔融后横向以喷雾的形式喷入喷雾冷凝装置形成横向帘；所述高温熔融、低温冷凝属性的材料选用石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、硫磺、松香树脂、古马隆树脂中的一种；
（3）随高压液氮气流向下喷雾的石墨烯-发泡剂分散体遇到横向帘，高温熔融、低温冷凝属性的材料形成的横向帘与石墨烯-发泡剂分散体快速冷凝为珠状颗粒，下沉到喷雾冷凝装置底部收集，得到一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
2.根据权利要求1所述一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料的制备方法，其特征在于:步骤（1）所述发泡剂选用碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺中的一种。
3.根据权利要求1所述一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料的制备方法，其特征在于:步骤（2）所述高温熔融、低温冷凝属性的材料较佳的选用熔化温度低于发泡剂的发泡温度。
4.一种具有微发泡分散功能的石墨烯母料，其特征在于所述石墨烯母料由权利要求1-3任一项所述方法制备得到的具有微发泡分散功能的石墨烯母料。
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