CN107216593A - 一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材及其制备方法，属于管道材料技术领域。本发明的主要目的在于解决一般聚乙烯管材不耐高温、容易破损的技术问题，提供了一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，包括如下重量份的组分：己烯共聚高密度耐热聚乙烯80～90份、石墨烯0.1～3份、含氟苯乙烯2～4份、偶联剂2～4份、增塑剂6～8份、抗氧剂1～3份、润滑剂2～4份、溶解剂10～30份、表面活性剂0.1～0.3份，以及提供一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括溶解、搅拌、超声、混合、加热、单螺杆挤出等步骤。本发明中各原料相容性好，原料特性得到有效发挥，制备得到的管材具备高强度和耐热性。

Description

一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材及其制备方法
技术领域
本发明涉及管道材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材及其制备方法。
背景技术
塑料管材是高科技复合而成的化学建材，而化学建材是继钢材、木材、水泥之后，当代新兴的第四大类新型建筑材料。近年来，化学建材在我国取得了长足进步迅猛发展，尤其是新型环保塑料管材的广泛使用，掀起了一声替代传统建材的革命。塑料管材因具有水流损失小、节能、节材、保护生态、竣工便捷等优点，目前广泛应用于建筑给排水、城镇给排水以及燃气管等领域，成为新世纪城建管网的主力军。
我国塑料管材发展很快，质量在不断提高。目前，已初步形成以聚氯乙烯(PVC-U))管、聚乙烯(PE)管和聚丙烯(PP-R)管为主的塑料管产业。其中聚乙烯(PE)管由于其自身独特的优点被广泛的应用于建筑给水，建筑排水，埋地排水管，建筑采暖、燃气输配、输气管，电工与电讯保护套管、工业用管、农业用管等。其主要应用于城市供水、城市燃气供应及农田灌溉。一般PE管材给水管道的应用范围为低于40℃的温度，无法用于热水输送管道。用于输送热水的管材在使用过程中不但需要承受高温，而且需要承受一定的压力，且管材常铺设在地面底部，如果出现损坏，更换非常麻烦，因此，需要开发一种耐高温、高强度的聚乙烯管材。
发明内容
本发明的主要目的在于解决一般PE管材不耐高温、容易破损的技术问题，提供了一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材及其制备方法，制备的管材耐高温、强度高。
为了实现上述目的，本发明提供一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，包括如下重量份的组分：己烯共聚高密度耐热聚乙烯80～90份、石墨烯0.1～3份、含氟苯乙烯2～4份、偶联剂2～4份、增塑剂6～8份、抗氧剂1～3份、润滑剂2～4份、溶解剂10～30份、表面活性剂0.1～0.3份；
所述偶联剂为苯基氨基甲基三甲氧基硅烷、二乙基氨基甲基三乙氧基硅烷、环己基氨基丙基三甲氧基硅烷、氨基乙基三乙氧基硅烷中的一种；
所述增塑剂为磷酸三乙酯、磷酸三丁酯、乙二醇二醋酸酯、三甘醇二醋酸酯中的一种；
所述抗氧剂为N-苯基-β-萘胺、亚磷酸三苯酯、硫代二丙酸月桂十八酯、2,4,6-三叔丁基苯酚中的一种；
所述润滑剂为单硬脂酸甘油酯、硬脂酸正丁酯、甘油三酯中的一种；
所述溶解剂为二甲基甲酰胺或丙酮；
所述表面活性剂为八苯基八硅倍半氧烷。
进一步地，所述石墨烯的重量份为0.5份、1份、1.5份、2份或2.5份。
进一步地，所述己烯共聚高密度耐热聚乙烯的重量份为85份。
进一步地，所述含氟苯乙烯的重量份为2.5份、3份或3.5份。
进一步地，所述溶解剂的重量份为15份、20份或25份。
进一步地，所述表面活性剂的重量份为0.2份。
上述石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体溶于溶解剂中，再加入表面活性剂，搅拌均匀后，30～50KHz超声40～60分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯、含氟苯乙烯、偶联剂、增塑剂、抗氧剂、润滑剂混合加热至150℃～180℃，逐渐升温至200℃～220℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于220℃～250℃下反应30～60分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在180℃～210℃，螺杆转速控制在60～90rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
进一步地，步骤(1)所述搅拌时间为80～100min，转速为2500～20000r/min。
进一步地，步骤(1)所述搅拌时间为90min，转速为5000r/min。
进一步地，步骤(1)所述超声时间为50分钟。
本发明取得的技术效果：
采用己烯共聚高密度耐热聚乙烯，相对密度0.941～0.965，强度达到PE100级，不但具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，而且具有较高的刚性和韧性，机械强度好，介电性能、耐环境应力开裂性能亦较好；石墨烯具有强度最高、韧性最高、耐磨防腐，耐高温和优良的导电性能，只要少量的添加就会起到效果，且考虑到其分散效果，避免团聚现象发生，石墨烯的添加量不宜过大；采用八苯基八硅倍半氧烷，作为表面活性剂，不仅与己烯共聚高密度耐热聚乙烯、石墨烯的相容性良好，而且也易溶于有机溶剂中，只需要少量的加入，可以有助于辅助石墨烯填料的分散，使其具有纳米功能；采用含氟苯乙烯，起到物理交联点的作用，通过氟苯之间的π-π堆积作用能够提高熔融状态下分子链之间的相互作用；采用氨基硅烷作为偶联剂，不仅能够促进成核，提高结晶温度，还能和含氟苯乙烯起到协同作用，提高熔体强度；在管材制备过程中，将石墨烯粉体溶于溶解剂中，再加入表面活性剂超声溶解，使石墨烯填料分散更加均匀，使其具有纳米功能，制得管材表面更加光滑，光泽度更高；本发明中各原料相容性好，原料特性得到有效发挥，制备得到的管材具备高强度和耐热性，高温高压下纵向回缩率≤2％，静液压状态下的热稳定性好，无泄露、无破损。
具体实施方式
下面结合实施例进一步详细说明本发明技术方案。采用的己烯共聚高密度耐热聚乙烯购自道达尔公司生产的XSene XRT70材料，八硅倍半氧烷购自上海百舜生物科技有限公司，石墨烯购自吉林吉大地球科学与地质开发股份有限公司，含氟苯乙烯购自宁波赫淳德化科技有限公司，其他组分购自张家港雅瑞化工有限公司。
实施例1石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.1份石墨烯粉体溶于10份二甲基甲酰胺中，再加入0.1份八苯基八硅倍半氧烷，转速2500r/min搅拌100min，搅拌均匀后，超声50分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯80份、含氟苯乙烯2份、苯基氨基甲基三甲氧基硅烷2份、磷酸三乙酯6份、N-苯基-β-萘胺1份、单硬脂酸甘油酯2份混合加热至150℃，逐渐升温至200℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于220℃下反应30分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在180℃，螺杆转速控制在60rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例2石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.5份石墨烯粉体溶于20份二甲基甲酰胺中，再加入0.2份八苯基八硅倍半氧烷，转速4000r/min搅拌95min，搅拌均匀后，超声40分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯82份、含氟苯乙烯2.5份、二乙基氨基甲基三乙氧基硅烷3份、磷酸三丁酯7份、亚磷酸三苯酯2份、硬脂酸正丁酯3份混合加热至165℃，逐渐升温至205℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于230℃下反应40分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在200℃，螺杆转速控制在80rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例3石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1份石墨烯粉体溶于30份二甲基甲酰胺中，再加入0.1份八苯基八硅倍半氧烷，转速5000r/min搅拌90min，搅拌均匀后，超声60分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯85份、含氟苯乙烯3份、环己基氨基丙基三甲氧基硅烷4份、乙二醇二醋酸酯8份、硫代二丙酸月桂十八酯3份、甘油三酯4份混合加热至180℃，逐渐升温至220℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于240℃下反应60分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在210℃，螺杆转速控制在90rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例4石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.5份石墨烯粉体溶于10份丙酮中，再加入0.2份八苯基八硅倍半氧烷，转速8000r/min搅拌85min，搅拌均匀后，超声45分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯88份、含氟苯乙烯3.5份、氨基乙基三乙氧基硅烷2份、三甘醇二醋酸酯6份、2,4,6-三叔丁基苯酚1份、单硬脂酸甘油酯4份混合加热至150℃，逐渐升温至200℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于240℃下反应60分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在200℃，螺杆转速控制在90rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例5石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2份石墨烯粉体溶于20份丙酮中，再加入0.2份八苯基八硅倍半氧烷，转速10000r/min搅拌85min，搅拌均匀后，超声55分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯86份、含氟苯乙烯3份、苯基氨基甲基三甲氧基硅烷2份、磷酸三丁酯7份、N-苯基-β-萘胺2份、单硬脂酸甘油酯4份混合加热至150℃，逐渐升温至200℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于240℃下反应60分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在200℃，螺杆转速控制在90rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例6石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.5份石墨烯粉体溶于30份丙酮中，再加入0.3份八苯基八硅倍半氧烷，转速15000r/min搅拌80min，搅拌均匀后，超声60分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯90份、含氟苯乙烯3.5份、二乙基氨基甲基三乙氧基硅烷4份、磷酸三丁酯8份、亚磷酸三苯酯3份、甘油三酯2份混合加热至180℃，逐渐升温至220℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于250℃下反应30分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在210℃，螺杆转速控制在60rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例7石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将3份石墨烯粉体溶于30份丙酮中，再加入0.3份八苯基八硅倍半氧烷，转速20000r/min搅拌80min，搅拌均匀后，超声50分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯90份、含氟苯乙烯4份、环己基氨基丙基三甲氧基硅烷3份、三甘醇二醋酸酯7份、亚磷酸三苯酯2份、甘油三酯3份混合加热至165℃，逐渐升温至210℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于220℃下反应45分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在180℃，螺杆转速控制在75rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
实施例8纵向回缩率测定
试验方法：取实施例1～7的管材，截取每个实施例长(200±20)mm的管段各3个作为试样，在试样上划两条相距100mm的圆周标线，并使其一标线距任一端至少10mm。将试样完全浸泡在液浴槽中，保持管段上端距液面至少30mm，(23±2)℃下液浴至少2小时，测量标线间距L0，精确至0.25mm；将液浴温度升至(100±2)℃，液浴4小时，取出管段垂直悬挂，待完全冷却至(23±2)℃，测量标线间距Li，精确至0.25mm。
结果计算：按照公式RLi＝|L0-Li︱/L0×100％计算三个试样RLi的算术平均值，其结果为管材的纵向回缩率RL。通过计算，实施例1～7管材的纵向回缩率RL≤2％。
实施例9静液压状态下的热稳定性
试验方法：取实施例1～7的管材，截取每个实施例长(300±20)mm的管段各3个作为试样，在试样两端装上密封接头，并与压力装置相连，压力装置持续均匀地向试样施加压力，压力达到2.4MPa时放置烘箱中，在温度(110±2)℃下持续施压8750h。
试验结果：实施例1～7的管材试样均无破裂、无渗漏。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明所作的举例，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动或变化。因此，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，包括如下重量份的组分：己烯共聚高密度耐热聚乙烯80～90份、石墨烯0.1～3份、含氟苯乙烯2～4份、偶联剂2～4份、增塑剂6～8份、抗氧剂1～3份、润滑剂2～4份、溶解剂10～30份、表面活性剂0.1～0.3份；
所述偶联剂为苯基氨基甲基三甲氧基硅烷、二乙基氨基甲基三乙氧基硅烷、环己基氨基丙基三甲氧基硅烷、氨基乙基三乙氧基硅烷中的一种；
所述增塑剂为磷酸三乙酯、磷酸三丁酯、乙二醇二醋酸酯、三甘醇二醋酸酯中的一种；
所述抗氧剂为N-苯基-β-萘胺、亚磷酸三苯酯、硫代二丙酸月桂十八酯、2,4,6-三叔丁基苯酚中的一种；
所述润滑剂为单硬脂酸甘油酯、硬脂酸正丁酯、甘油三酯中的一种；
所述溶解剂为二甲基甲酰胺或丙酮；
所述表面活性剂为八苯基八硅倍半氧烷。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，所述石墨烯的重量份为0.5份、1份、1.5份、2份或2.5份。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，所述己烯共聚高密度耐热聚乙烯的重量份为85份。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，所述含氟苯乙烯的重量份为2.5份、3份或3.5份。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，所述溶解剂的重量份为20份。
6.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材，其特征在于，所述表面活性剂的重量份为0.2份。
7.根据权利要求1所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体溶于溶解剂中，再加入表面活性剂，搅拌均匀后，超声40～60分钟，得到前料1；
(2)将己烯共聚高密度耐热聚乙烯、含氟苯乙烯、偶联剂、增塑剂、抗氧剂、润滑剂混合加热至150℃～180℃，逐渐升温至200℃～220℃，得到前料2；
(3)将步骤(1)的前料1与步骤(2)的前料2混合、搅拌，并于220℃～250℃下反应30～60分钟，并将溶解剂蒸发除去，得到石墨烯基聚乙烯复合材料；
(4)将步骤(3)的石墨烯基聚乙烯复合材料置入单螺杆挤出机，加工温度控制在180℃～210℃，螺杆转速控制在60～90rpm，挤出，得到耐热聚乙烯管材。
8.根据权利要求7所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述搅拌时间为80～100min，转速为2500～20000r/min。
9.根据权利要求7所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述搅拌时间为90min，转速为5000r/min。
10.根据权利要求7所述的石墨烯增强耐热聚乙烯复合管材的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述超声时间为50分钟。
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