CN108373559A - 一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法。它是由以下重量份数的组分组成：40~60份高密度聚乙烯、30~40份活性纳米粉体、2~4份石墨烯微片、3~8份碳纳米管、5~10份相容剂、0.5~2份润滑剂、0.5~0.9份抗氧剂1010和0.3~1份MB218抗紫外光剂。先将石墨烯微片，用混酸进行酸化，制得氧化石墨烯，将氧化石墨烯和碳纳米管分散到四氢呋喃中，制得石墨烯/碳纳米管粉末，将其他组分与石墨烯/碳纳米管粉末混合均匀，经过挤出造粒、注塑成型工艺，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。本发明制备方法简单，便于推广应用，所制得的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管的拉伸强度、导热系数较普通塑料管有明显提高。

Description

一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法
技术领域
本发明属于塑料管材技术领域，特别涉及一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构，具有大π键共轭体系、独特的物理结构特征和优异的性能，这些优异性能使其在聚合物基复合材料领域应用十分广泛，仅需极少的添加量，就能显著提升复合材料的电学、力学和热学等性能。但纵观目前石墨烯的制备方法，大都存在产率低、成本高、质量差等缺陷，限制了石墨烯的应用和研究。同时，由于石墨烯片层之间的范德华力较强，容易发生团聚，且其与基体相容性差，造成石墨烯在基体中很难达到良好分散。石墨烯已广泛用于尼龙、环氧树脂、聚氨酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸酯等聚合物基体中，但由于在聚烯烃基体中粘度高和低表面能，难以分散而少有研究。如何提高石墨烯与聚烯烃良好的界面相互作用和分散性问题，是解决石墨烯在聚烯烃塑料管材中的应用关键。
碳纳米管是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年，随着科学家对碳纳米管的物理、化学、导电性能、热学性能、电子学等方面有了较深刻的了解。碳纳米管在复合材料、储氢材料、超级电容、锂离子电池、传感器、信息储存等领域的基础研究和应用领域都取得了重要进展。
石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处，碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管复合用于复合材料。石墨烯/碳纳米管复合可形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料具有更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。此外， 掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注。
在工民建领域中，金属管道由于存在易腐蚀、易结垢、使用寿命短、不易折叠、安装困难等缺点，逐渐被各种聚烯烃塑料管如PPR/PE/PVC管所取代。与金属管材相比，聚烯烃塑料管具有质轻、耐腐蚀、比强度高、寿命长等优点，广泛用于建筑给排水、采暖管道系统、中央空调系统、化工管道系统等领域。但这些聚烯烃塑料管由于承受压力不够高和高温下使用寿命较短的原因，在对有高温高压长寿命和导热性需求领域中受到限制。针对这一问题，国内已有许多文献专利对聚烯烃塑料管增强改性的报道。例如刘志光的发明专利“石墨烯增强导热性复合聚烯烃管材”（申请号：201610148355.4），报道了聚芳酰胺改性石墨烯与聚乙烯复合，经密炼、塑化、挤出等工艺制备得到三层复合管材。这些聚烯烃管材可以在温度为95℃，压力在大于1.6MPa的条件下，使用寿命达到50年以上。王好占的发明专利“一种超高分子量聚乙烯改性材料管材及其制备方法”（申请号：200710054073.9），提供了一种以超高分子量聚乙烯、聚乙烯腊、石墨、玻璃空心微珠、抗静电剂及阻燃剂等为原料，制得抗拉强度不低于46MPa，且成本低、耐磨性高、自润滑性优良、超强的抗冲击强度、优异的阻燃性等的聚乙烯塑料管。陶四平等的发明专利“一种高阻氧高强的聚烯烃导热管材及其制备方法”（申请号：20151056370.0），报道了以高密度聚乙烯、石墨烯片层、马来酸酐接枝聚乙烯相容剂、抗氧剂混合，经双螺杆挤出成型制备高导热阻隔性能优良的聚乙烯管材。所制备的管材导热系数为0.87w/m·K，环向拉伸强度69.5MPa，氧气渗透系数在25℃下为0.096g·mm2/(L·MPa)。
基于石墨烯和碳纳米管复合可形成三维网状结构，并具有比任意一种单一材料性能更加优异的协同效应特性。本发明专利提出采用石墨烯和碳纳米管三维网状结构协同增强聚乙烯复合材料，制备具有增强导热功效的石墨烯/碳纳米管/聚乙烯塑料管材。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管及其制备方法。
本发明的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，是由以下重量份数的组分组成：
40~60份高密度聚乙烯、30~40份活性纳米粉体、2~4份石墨烯微片、3~8份碳纳米管、5~10份相容剂、0.5~2份润滑剂、0.5~0.9份抗氧剂1010和0.3~1份MB218抗紫外光剂。
制备上述石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管的具体步骤为：
（1）取2~4质量份石墨烯微片，用10~18质量份浓硫酸/浓硝酸体积比为3:1的混酸进行酸化，经过回流6h后，过滤，60℃下真空干燥得到混酸酸化的氧化石墨烯。
（2）将步骤（1）制得的氧化石墨烯和3~8质量份碳纳米管分散到四氢呋喃中经搅拌、超声分散混合均匀，去除溶剂后，获得预先形成缠结的三维网络结构的石墨烯/碳纳米管粉末。
（3）将40~60质量份高密度聚乙烯、20~40质量份活性纳米粉体、步骤（2）制得的石墨烯/碳纳米管粉末、5~10质量份相容剂、0.5~2质量份润滑剂、0.5~0.9质量份抗氧剂1010和0.3~1质量份MB218抗紫外光剂混合均匀，经过挤出造粒、注塑成型工艺，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。
所述活性纳米粉体为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米氧化铝或纳米二氧化钛。
所述碳纳米管为表面羧基化单壁碳纳米管、表面羧基化多壁碳纳米管、表面羟基化单壁碳纳米管或表面羟基化多壁碳纳米管。
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝聚丙烯。
所述润滑剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸或石蜡。
本发明方法与现有技术相比具有以下优点：
(1)制备方法简单，在现有塑料管生产工艺基础即可生产，便于推广应用。
(2)所制得的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管的拉伸强度、导热系数较普通塑料管有明显提高。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，下面以实施例作进一步说明，但保护范围并不受此限定。以下实施例所用的主要原料：石墨烯微片（工业级），羟基化碳纳米管（工业级，OD:20~40nm），高密度聚乙烯（工业级），纳米碳酸钙（工业级），纳米二氧化硅（工业级），纳米氧化铝（工业级），马来酸酐接枝聚乙烯（工业级），聚乙烯蜡（工业级），抗氧剂1010（工业级），MB218抗紫外光剂（工业级）。
实施例1：
（1）取2质量份石墨烯微片，用10质量份浓硫酸/浓硝酸体积比为3:1的混酸进行酸化，经过回流6h后，过滤，60℃下真空干燥得到混酸酸化的氧化石墨烯。
（2）将步骤（1）制得的氧化石墨烯和4质量份碳纳米管分散到四氢呋喃中经搅拌、超声分散混合均匀，去除溶剂后，获得预先形成缠结的三维网络结构的石墨烯/碳纳米管粉末。
（3）将60质量份高密度聚乙烯、24质量份活性纳米粉体、步骤（2）制得的石墨烯/碳纳米管粉末、6质量份相容剂、1质量份润滑剂、0.6质量份抗氧剂1010和0.4质量份MB218抗紫外光剂在转速设定为30 rpm的高速混合机中混合均匀后，在温度为200℃的双螺杆挤出机中造粒，然后在200℃下挤出成型，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。
所述活性纳米粉体为纳米碳酸钙。
所述碳纳米管为表面羟基化单壁碳纳米管。
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
所述润滑剂为聚乙烯蜡。
本实施例制得的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，其环向拉伸强度23.6MPa，导热系数0.48W/m·K。
实施例2：
（1）取3质量份石墨烯微片，用15质量份浓硫酸/浓硝酸体积比为3:1的混酸进行酸化，经过回流6h后，过滤，60℃下真空干燥得到混酸酸化的氧化石墨烯。
（2）将步骤（1）制得的氧化石墨烯和5质量份碳纳米管分散到四氢呋喃中经搅拌、超声分散混合均匀，去除溶剂后，获得预先形成缠结的三维网络结构的石墨烯/碳纳米管粉末。
（3）将60质量份高密度聚乙烯、22质量份活性纳米粉体、步骤（2）制得的石墨烯/碳纳米管粉末、6质量份相容剂、1质量份润滑剂、0.6质量份抗氧剂1010和0.4质量份MB218抗紫外光剂在转速设定为30 rpm的高速混合机中混合均匀后，在温度为200℃的双螺杆挤出机中造粒，然后在200℃下挤出成型，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。
所述活性纳米粉体为纳米二氧化硅。
所述碳纳米管为表面羟基化多壁碳纳米管。
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
所述润滑剂为聚乙烯蜡。
本实施例制得的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，其环向拉伸强度为24.8MPa，导热系数为0.52W/m·K。
实施例3：
（1）取4质量份石墨烯微片，用18质量份浓硫酸/浓硝酸体积比为3:1的混酸进行酸化，经过回流6h后，过滤，60℃下真空干燥得到混酸酸化的氧化石墨烯。
（2）将步骤（1）制得的氧化石墨烯和6质量份碳纳米管分散到四氢呋喃中经搅拌、超声分散混合均匀，去除溶剂后，获得预先形成缠结的三维网络结构的石墨烯/碳纳米管粉末。
（3）将60质量份高密度聚乙烯、20质量份活性纳米粉体、步骤（2）制得的石墨烯/碳纳米管粉末、6质量份相容剂、1质量份润滑剂、0.6质量份抗氧剂1010和0.4质量份MB218抗紫外光剂在转速设定为30 rpm的高速混合机中混合均匀后，在温度为200℃的双螺杆挤出机中造粒，然后在200℃下挤出成型，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。
所述活性纳米粉体为纳米氧化铝。
所述碳纳米管为表面羟基化单壁碳纳米管。
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
所述润滑剂为聚乙烯蜡。
本实施例制得的石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，其环向拉伸强度为25.4MPa，导热系数为0.57W/m·K。

Claims (2)

1.一种石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，其特征在于该石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管，是由以下重量份数的组分组成：
40~60份高密度聚乙烯、30~40份活性纳米粉体、2~4份石墨烯微片、3~8份碳纳米管、5~10份相容剂、0.5~2份润滑剂、0.5~0.9份抗氧剂1010和0.3~1份MB218抗紫外光剂；
所述活性纳米粉体为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米氧化铝或纳米二氧化钛；
所述碳纳米管为表面羧基化单壁碳纳米管、表面羧基化多壁碳纳米管、表面羟基化单壁碳纳米管或表面羟基化多壁碳纳米管；
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝聚丙烯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸或石蜡。
2.一种如权利要求1所述石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）取2~4质量份石墨烯微片，用10~18质量份浓硫酸/浓硝酸体积比为3:1的混酸进行酸化，经过回流6h后，过滤，60℃下真空干燥得到混酸酸化的氧化石墨烯；
（2）将步骤（1）制得的氧化石墨烯和3~8质量份碳纳米管分散到四氢呋喃中经搅拌、超声分散混合均匀，去除溶剂后，获得预先形成缠结的三维网络结构的石墨烯/碳纳米管粉末；
（3）将40~60质量份高密度聚乙烯、20~40质量份活性纳米粉体、步骤（2）制得的石墨烯/碳纳米管粉末、5~10质量份相容剂、0.5~2质量份润滑剂、0.5~0.9质量份抗氧剂1010和0.3~1质量份MB218抗紫外光剂混合均匀，经过挤出造粒、注塑成型工艺，即制得石墨烯/碳纳米管协同增强聚乙烯管。
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