CN108749177A - 一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料及其制备方法。该三明治结构复合材料由热解石墨、环氧树脂、超高分子量聚乙烯组成；其中上层和下层均为超高分子量聚乙烯；中间层为热解石墨；环氧树脂为胶粘剂，用于粘连热解石墨和超高分子量聚乙烯。本发明以二维层状结构的热解石墨为导电填料，有效提高了超高分子量聚乙烯的抗静电能力；所采用的三明治结构可有效改善热解石墨与超高分子量聚乙烯之间的界面结合性，使得复合材料的物理力学性能优越性得到充分发挥，并且该复合材料的制备过程简单、易操作。

Description

一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合 材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能复合材料技术领域，更具体地，涉及一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯是一种分子量高达数百万的线性聚合物，因其具有优良的物理力学性能如耐磨性、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、抗冲击等，在军工、矿山、海洋工程、交通运输、电力等领域具有重要的实用价值。然而，超高分子量聚乙烯表面电阻高达1016～1017Ω，体积电阻为1017～1018Ω，介电常数为2.2～2.3，极易产生静电，提高超高分子量聚乙烯的抗静电能力，最常用的方法是在超高分子量聚乙烯中添加导电填料制备复合材料，碳系填料因其来源丰富、密度低、稳定性好、力学性能优异等优点成为首选。
目前的关于碳系填料方面的研究主要集中在炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯，而对热解石墨/超高分子量聚乙烯复合材料的研究未见报道。此外，传统的超高分子量聚乙烯/无机填料复合材料，因其两相界面结合性较差，导致复合材料的物理力学性能优越性的发挥受到限制。
鉴于此，提供一种抗静电能力好、物理学性能优越的超高分子量聚乙烯复合材料具有极大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料。本发明充分利用热解石墨的导电性能及其平面结构的特性，将其作为导电材料与超高分子量聚乙烯制备成为三明治结构的复合材料，不仅提高了复合材料的抗静电性能，同时还改善了热解石墨与超高分子量聚乙烯二者间界面的结合性能，使得三明治复合材料具有优越的物理力学性能。
本发明的另一目的在于提供所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，三明治结构复合材料由热解石墨、环氧树脂、超高分子量聚乙烯组成；其中上层、下层为超高分子量聚乙烯；中间层为热解石墨；环氧树脂为胶粘剂，用于粘连热解石墨和超高分子量聚乙烯。
热解石墨是二维层状结构，在层内以共价键结合，由于存在离域的π电子，因此在二维的层平面方向具有极好的导电性。本发明充分利用热解石墨的导电性能及其平面结构的特性，将其作为导电材料与超高分子量聚乙烯制备成为三明治结构的复合材料，不仅提高了复合材料的抗静电性能，同时还改善了热解石墨与超高分子量聚乙烯二者间界面的结合性能，使得三明治复合材料具有优越的物理力学性能。此外，由于复合材料均为层状结构，不受导热填料粒径和分散性的影响，任何粒径和分散性的热解石墨均可用于制备三明治结构的复合材料。
优选地，超高分子量聚乙烯层的厚度为1～1.5mm；热解石墨层的厚度为2～3mm；胶粘剂层的厚度为0.1～0.2mm。
优选地，所述热解石墨为高定向热解石墨。
优选地，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为250～600万。
优选地，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂。
本发明同时还保护所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1. 将环氧树脂与石墨、固化剂混匀，配置成导电胶粘剂；
S2. 将超高分子量聚乙烯粉末挤压制成所述厚度的片材；
S3. 将步骤S2中的超高分子量聚乙烯片材均匀涂抹步骤S1配置的导电胶粘剂；然后将两片涂抹导电胶粘剂的超高分子量聚乙烯片材分别盖在热解石墨的上下两面，挤压、固化成型，即得到所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料；
其中，步骤S1中环氧树脂、石墨和固化剂的质量比为10～30:1:4。
虽然环氧树脂具有优良的胶粘性，但其导电性能极差，如直接使用环氧树脂，则容易导致所述三明治结构复合材料的导电性能降低，无法达到很好的抗静电作用；而在环氧树脂中添加一定比例的石墨，将其制成导电胶粘剂后再进行使用，则不影响三明治结构复合材料的导电性能。
优选地，所述步骤S1中环氧树脂、石墨和固化剂的质量比为20：1：4。
优选地，所述固化剂为酚醛胺环氧固化剂、脂肪胺固化剂或聚酰胺固化剂。更优选地，所述固化剂为酚醛胺环氧固化剂，如固化剂T-31。
优选地，步骤S3中压实超高分子量聚乙烯片材和热解石墨的压力为5～15MPa；固化成型的温度为25～80℃。
优选地，步骤S3中挤压超高分子量聚乙烯片材和热解石墨的压力为10～15MPa；固化成型的温度为60～80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明以二维层状结构的热解石墨为导电填料，有效提高了超高分子量聚乙烯的抗静电能力；所采用的三明治结构可有效改善热解石墨与超高分子量聚乙烯之间的界面结合性，使得复合材料的物理力学性能优越性得到充分发挥；复合材料的生产效率高，加工过程简单；复合材料性能可控性高，不受导热填料粒径和分散性的影响，性能稳定，重现性好；通过热压成型技术制备复合材料，不会对环境造成危害，具有工业化大规模生产的可能性。
附图说明
图1为所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的结构示意图。其中，1代表热解石墨层、2代表环氧树脂层、3代表超高分子量聚乙烯层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
以下实施例中制备的三明治复合材料的表面电阻率均采用超高电阻测试仪按照GB/T1410-1989测试；屈服强度、抗冲击强度采用电子万能试验机按照GB/T1410-1992测试。
实施例1
一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，采用的超高分子量聚乙烯其分子量为250万；环氧树脂为双酚A环氧树脂。
按照以下过程制备得到：
（1）将双酚A环氧树脂与石墨微片、T-31按照20：1：4比例混合，搅拌均匀，配置成导电胶粘剂；
（2）采用偏心转子拉伸流变挤出机将重均分子量为250万的超高分子量聚乙烯粉末压成片材；
（3）采用刷涂的方式将配置好的环氧树脂胶粘剂均匀的涂在超高分子量聚乙烯片材上，取两块涂好环氧树脂胶粘剂的超高分子量聚乙烯片材分别盖在热解石墨的上下两面，送入压机，施加5MPa压力，在25℃下固化成型后得到三明治结构复合材料。
本实施例获得的三明治结构复合材料如图1所示，其中热解石墨的厚度为2.8mm，超高分子量聚乙烯的厚度为1.3mm，环氧树脂的厚度为0.2mm；三明治复合材料的电阻率为2×108Ω/cm，屈服强度为23MPa，抗冲击强度为70KJ/m2。
实施例2
一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，采用的超高分子量聚乙烯其分子量为300万；环氧树脂为双酚F环氧树脂。
三明治结构复合材料的制备过程同实施例1，不同之处在于步骤（3）中的挤压压力为10MPa，固化温度为25℃。
本实施例获得的三明治结构复合材料如图1所示，其中热解石墨的厚度为2.4mm，超高分子量聚乙烯的厚度为1.4mm，环氧树脂的厚度为0.2mm；三明治复合材料的电阻率为5×108Ω/cm，屈服强度为26MPa，抗冲击强度为73KJ/m2。
实施例3
一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，采用的超高分子量聚乙烯其分子量为600万；环氧树脂为双酚A环氧树脂。
三明治结构复合材料的制备过程同实施例1，不同之处在于步骤（3）中的挤压压力为15MPa，固化温度为80℃。
本实施例获得的三明治结构复合材料如图1所示，其中热解石墨的厚度为2.1mm，超高分子量聚乙烯的厚度为1.5mm，环氧树脂的厚度为0.1mm；三明治复合材料的电阻率为8×108Ω/cm，屈服强度为27MPa，抗冲击强度为75KJ/m2。
实施例4 复合材料中超高分子量聚乙烯厚度的优化
（1）按照实施例1中的制备方法和步骤，以超高分子量聚乙烯的厚度为单变量进行研究，验证其厚度对于三明治结构的复合材料性能的影响。
现选出2组具有代表性的对照例，即对比例1和对比例2。
对比例1：制备得到超高分子量聚乙烯层偏薄的三明治结构复合材料，复合材料中热解石墨的厚度为2.8mm，超高分子量聚乙烯的厚度为0.7mm，环氧树脂的厚度为0.2mm。结果该三明治复合材料的电阻率为2×108Ω/cm，与实施例1相同；但是其屈服强度仅为18MPa，抗冲击强度仅为60KJ/m2，与实施例1制备的三明治结构复合材料相比，当超高分子量聚乙烯的厚度偏薄时，制备得到的三明治结构复合材料的屈服强度和抗冲击强度明显下降。
对比例2：制备得到超高分子量聚乙烯层偏厚的三明治结构复合材料，复合材料中热解石墨的厚度为2.8mm，超高分子量聚乙烯的厚度为2.0mm，环氧树脂的厚度为0.2mm。结果该三明治复合材料的屈服强度为31MPa，抗冲击强度为78KJ/m2，其性能优于实施例1制备的三明治结构复合材料；但是其电阻率为2×1010Ω/cm，明显比实施例1～3制备的三明治结构复合材料电阻率大，导致三明治结构复合材料的抗静电效果不佳。
通过一系列的试验，结果发现，当超高分子量聚乙烯的厚度小于1mm时，所制备得到的三明治结构复合材料的物理力学性能明显下降，导致所述复合材料的应用范围受到限制。而当超高分子量聚乙烯的厚度大于1.5mm时，所述三明治结构复合材料的电阻率明显下降，三明治结构复合材料的抗静电效果明显下降，达不到预期的效果。而只有当超高分子量聚乙烯的厚度在1～1.5mm范围内时，三明治结构复合材料具有较低的电阻率，同时还具有很好的物理力学性能。
（2）按照实施例1中的制备方法和步骤，以环氧树脂层的厚度为单变量进行研究，验证其厚度对于三明治结构的复合材料性能的影响。
现选出1组具有代表性的对比例，即对比例3。
对比例3：制备得到环氧树脂层偏厚的三明治结构复合材料，复合材料中热解石墨的厚度为2.8mm，超高分子量聚乙烯的厚度为1.3mm，环氧树脂的厚度为0.5mm。结果该三明治复合材料的电阻率为5×1012Ω/cm，屈服强度为22MPa，抗冲击强度为69KJ/m2，其性能均明显低于实施例1～3制备的三明治结构复合材料。
通过一系列的试验，结果发现，0.1～0.2mm的厚度是环氧树脂正常发挥胶黏形的最薄厚度；而当环氧树脂的厚度大于0.2mm时，三明治结构复合材料的电阻率较大；为保证三明治结构复合材料的电阻率最佳，选择厚度为0.1～0.2mm的环氧树脂层。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，其特征在于，三明治结构复合材料由热解石墨、环氧树脂、超高分子量聚乙烯组成；其中上层和下层均为超高分子量聚乙烯；中间层为热解石墨；环氧树脂为胶粘剂，用于粘连热解石墨和超高分子量聚乙烯。
2.根据权利要求1所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，其特征在于，超高分子量聚乙烯层的厚度为1～1.5mm；热解石墨层的厚度为2～3mm；胶粘剂层的厚度为0.1～0.2mm。
3.根据权利要求1所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，其特征在于，所述热解石墨为高定向热解石墨；所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为250～600万。
4.根据权利要求1所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂。
5.权利要求1～4任一所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 将环氧树脂与石墨、固化剂混匀，配置成导电胶粘剂；
S2. 将超高分子量聚乙烯粉末挤压制成所述厚度的片材；
S3. 将步骤S2中的超高分子量聚乙烯片材均匀涂抹步骤S1配置的导电胶粘剂；然后将两片涂抹导电胶粘剂的超高分子量聚乙烯片材分别盖在热解石墨的上下两面，挤压、固化成型，即得到所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料；
其中，步骤S1中环氧树脂、石墨和固化剂的质量比为10～30:1:4。
6.根据权利要求5所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中环氧树脂、石墨和固化剂的质量比为20：1：4。
7.根据权利要求5所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂为酚醛胺环氧固化剂、脂肪胺固化剂或聚酰胺固化剂。
8.根据权利要求5所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中压实超高分子量聚乙烯片材和热解石墨的压力为5～15MPa；固化成型的温度为25～80℃。
9.根据权利要求8所述热解石墨/环氧树脂/超高分子量聚乙烯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中挤压超高分子量聚乙烯片材和热解石墨的压力为10～15MPa；固化成型的温度为60～80℃。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181106

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