CN108948578A - 石墨烯/pvc抗静电复合材料及其制备方法 - Google Patents

石墨烯/pvc抗静电复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/PVC抗静电复合材料及其制备方法。所述制备方法包括：将3.6‑6重量份的石墨烯、10.8‑18重量份的溶剂以及2.4‑4重量份的分散剂混合制备形成第一石墨烯抗静电母粒；对第一石墨烯抗静电母粒进行干燥处理后获得第二石墨烯抗静电母粒；将6‑10重量份的第二石墨烯抗静电母粒、80‑120重量份的PVC树脂、3.2‑4.8重量份的有机锡热稳定剂、4‑6重量份的ACR抗冲改性剂以及5‑10重量份的增韧剂搅拌混合，之后经密炼加工后获得石墨烯/PVC抗静电复合材料。本发明实施例提供的制备方法以较少的石墨烯添加量便可以使PVC达到抗静电的标准，抗静电效果永久且成本低廉，解决了现有石墨烯分散难的问题，这为石墨烯的大规模和洁净使用提供了新的技术方案，有助于石墨烯的产业化发展。

Description

石墨烯/PVC抗静电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种应用于放电场所的PVC复合材料，特别涉及一种石墨烯/PVC抗静电复合材料及其制备方法，属于石墨烯纳米复合材料技术领域。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，单层厚度仅有0.34nm，具有优异的光学、电学、力学及热学等特性，其理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa，室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·s)，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
PVC作为一种传统的工程塑料，目前其应用总量已排在所有塑料的第二位，仅次于聚乙烯塑料，PVC因其综合性能优异，价格相对低廉，而且是大化工废气-氯气的主要消化渠道，因此在全球受到大力发展和广泛使用。但是随着时代的发展和社会的进步，在生产生活中人们对PVC塑料提出了更高的要求，此时传统的PVC塑料已无法满足我们的要求，因此发展新一代的PVC塑料或者改性传统PVC塑料，已成为行业科技人员和工程人员的两条主要途径。近年来兴起的石墨烯纳米材料，因其具有许多优异的特性，被广泛的应用于改性高分子复合材料，这也给PVC的改性提供了一种新的方法，通过石墨烯与PVC的复合，可以得到一种石墨烯改性的PVC复合材料，此种复合材料有效的解决了传统PVC材料脆性大，微卡软化点不高，导电性差等问题，大大提高了PVC的综合性能，使其能够更广泛的满足人们的生产生活。
虽然石墨烯性能优异，但是这种纳米粉体材料在实际生产应用中却存在很大的问题：一是石墨烯很容易团聚，在基体中难以分散，这就使得石墨烯性能大打折扣，甚至在材料中因为团聚而成为缺陷；二是石墨烯密度非常小，比表面积巨大，这就使得生产加工过程中很容易飞扬，产生很大的环境污染，
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种石墨烯/PVC抗静电复合材料及其制备方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法，其包括：
将3.6-6重量份的石墨烯、10.8-18重量份的溶剂以及2.4-4重量份的分散剂混合制备形成第一石墨烯抗静电母粒，对所述第一石墨烯抗静电母粒进行干燥处理后获得第二石墨烯抗静电母粒；
将6-10重量份的第二石墨烯抗静电母粒、80-120重量份的PVC树脂、3.2-4.8重量份的有机锡热稳定剂、4-6重量份的ACR抗冲改性剂以及5-10重量份的增韧剂搅拌混合，之后经密炼加工后获得所述石墨烯/PVC抗静电复合材料。
本发明实施例还提供了由所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料制备方法制备的石墨烯/PVC抗静电复合材料。
本发明实施例还提供了一种石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特包括以重量份计的如下组分：第二石墨烯抗静电母粒6-10份、PVC树脂80-120份、有机锡热稳定剂3.2-4.8份、ACR抗冲改性剂4-6份以及增韧剂5-10份。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的制备方法采用的石墨烯为机械剥离石墨烯，具体为运用CO2超临界技术采用液相剥离法制备石墨烯，该方法制备的石墨烯层数少，杂质含量低，而且未经过任何化学处理，保证了石墨烯有较好的导电性能；
2)本发明实施例提供的制备方法是先将石墨烯与分散剂制备成母粒，再将母粒添加到PVC树脂当中，此工艺有效的解决了目前石墨烯粉体使用过程中的飞扬问题，避免了对环境的污染，而且母粒便于运输和添加使用；
3)本发明实施例提供的制备方法中使用的石墨烯母粒中石墨烯含量高，制备工艺简单，便于操作和大规模生产，只需添加很少的水作为粘结剂，节约了资源并且对环境没有任何毒害作用，绿色环保，同时此造粒技术不仅适用于石墨烯，而且对碳纳米管，炭黑等微纳粒子也都可以使用，具有普适意义；
4)由本发明实施例提供的制备方法所获得的石墨烯/PVC抗静电材料只需很少的石墨烯添加量就能大幅度的降低PVC材料的表面电阻，该材料可以广泛的用于制备矿用抗静电管，抗静电传送带，抗静电板材及抗静电薄膜等领域，具有广泛的市场前景和巨大的经济效益。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法，其包括：
将3.6-6重量份的石墨烯、10.8-18重量份的溶剂以及2.4-4重量份的分散剂混合制备形成第一石墨烯抗静电母粒，对所述第一石墨烯抗静电母粒进行干燥处理后获得第二石墨烯抗静电母粒；
将6-10重量份的第二石墨烯抗静电母粒、80-120重量份的PVC树脂、3.2-4.8重量份的有机锡热稳定剂、4-6重量份的ACR抗冲改性剂以及5-10重量份的增韧剂搅拌混合，之后经密炼加工后获得所述石墨烯/PVC抗静电复合材料。
进一步的，所述干燥处理的温度为80-120℃，干燥时间为12-24h。
进一步的，所述搅拌混合的搅拌速度为1500-2000r/min，搅拌时间为10-15min。
进一步的，所述密炼加工的温度为175-185℃，密炼时间为5-8min。
本发明实施例还提供了由所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料制备方法制备的石墨烯/PVC抗静电复合材料。
本发明实施例还提供了一种石墨烯/PVC抗静电复合材料，其包括以重量份计的如下组分：第二石墨烯抗静电母粒6-10份、PVC树脂80-120份、有机锡热稳定剂3.2-4.8份、ACR抗冲改性剂4-6份以及增韧剂5-10份。
进一步的，所述第二石墨烯抗静电母粒由第一石墨烯抗静电母粒除去溶剂后形成；所述第一石墨烯抗静电母粒包括以重量份计的如下组分：石墨烯3.6-6份、溶剂10.8-18份以及分散剂2.4-4份。
进一步的，所述第二石墨烯抗静电母粒中石墨烯的含量为50-60wt％。
进一步的，所述石墨烯选自机械剥离石墨烯。
具体的，可以采用CO2超临界技术、以液相剥离的方式制备所述石墨烯。
优选的，所述石墨烯为石墨烯粉体。
进一步的，所述分散剂包括PE蜡、PVP和CEVA中任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
优选的，所述溶剂包括水。
优选的，所述溶剂选自去离子水。
进一步的，所述PVC树脂的分子量为50000-100000。
所述增韧剂包括EVA、MBS和XNBR中任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述石墨烯/PVC抗静电复合材料的表面电阻为106-109Ω。
藉由上述技术方案，本发明实施例将石墨烯与分散剂制备成母粒，再将母粒添加到PVC树脂当中，此工艺有效的解决了目前石墨烯粉体使用过程中的飞扬问题，避免了对环境的污染，同时将石墨烯和分散剂制成母粒后，只需在制备石墨烯/PVC抗静电复合材料过程中根据需要定量投入母粒即可获得所需要抗静电级别的复合材料，除此以外，我们知道石墨烯密度非常小，比表面积大，制备成母粒后还便于石墨烯运输，节约了空间。
本发明实施例采用的石墨烯为机械剥离石墨烯，具体为运用CO2超临界技术、采用液相剥离法制备石墨烯，该方法制备的石墨烯层数少，杂质含量低，而且未经过任何化学处理，保证了石墨烯有较好的导电性能。以及，机械剥离石墨烯表面官能团少，导电性好，但是这种特性也使得石墨烯很难与PVC进行复合，如果石墨烯与PVC分子间没有任何的作用力，那么石墨烯对PVC的改性就无从谈起，更不能充分发挥石墨烯的优异性能；本发明实施例中采用的分散剂作为石墨烯与PVC分子间的“桥梁”，该分散剂不仅对具有大π键共轭的石墨烯有分散作用，同时与PVC树脂有很好的相容性，有效的解决了石墨烯分散难和树脂不相容的问题，充分发挥石墨烯的优异的导电性能。
以下通过若干实施例进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取石墨烯粉体3.6重量份、去离子水10.8重量份以及分散剂CEVA2.4重量份加入造粒设备中制成第一石墨烯抗静电母粒；
2)将所述第一石墨烯坑静电母粒于烘箱在100℃下烘12h去掉水份，获得第二石墨烯抗静电母粒；
3)取PVC树脂100重量份、有机锡热稳定剂4重量份、ACR抗冲改性剂5重量份、EVA增韧剂7重量份以及步骤2)所获得的第二石墨烯抗静电母粒8重量份加入到转矩流变仪于175℃密炼加工8min，从而获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为实施例1样品。对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻见表1所示。
对照例1
与实施例1基本相同，但未采取步骤1)及步骤2)的石墨烯造粒过程，直接采用石墨烯粉体加入到PVC树脂及各辅配料中混合后进行加工获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为对照例1样品。对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻参见表1所示。
实施例2
一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)取石墨烯粉体4重量份、去离子水12重量份以及分散剂PVP2.7重量份加入造粒设备中制成第一石墨烯抗静电母粒；
2)将第一石墨烯坑静电母粒于烘箱在110℃下烘24h去掉水份，获得第二石墨烯抗静电母粒；
3)取PVC树脂110重量份、有机锡热稳定剂4.4重量份、ACR抗冲改性剂5.5重量份、MBS增韧剂5重量份以及步骤2)所获得的第二石墨烯抗静电母粒7重量份加入到转矩流变仪于185℃密炼加工5min，从而获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为实施例2样品。对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻见表1所示。
对照例2
与实施例2基本相同，但步骤1)以及步骤2)石墨烯造粒过程中未加入分散剂，将获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料记为对照例2样品。对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻参见表1所示。
实施例3
一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)取石墨烯粉体4.5重量份、去离子水13.5重量份以及分散剂PE蜡3重量份加入造粒设备中制成第一石墨烯抗静电母粒；
2)将第一石墨烯坑静电母粒于烘箱在120℃下烘24h去掉水份，获得第二石墨烯抗静电母粒；
3)取PVC树脂90重量份、有机锡热稳定剂3.6重量份、ACR抗冲改性剂4.5重量份、XNBR增韧剂5重量份以及步骤2)所获得的第二石墨烯抗静电母粒7.6重量份加入到转矩流变仪于180℃密炼加工7min，从而获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为实施例3样品，对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻见表1所示。
对照例3
与实施例3基本相同，但步骤1)及步骤2)造粒使用的石墨烯为氧化还原石墨烯，将获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料记为对照例3样品。对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻参见表1所示。
实施例4
一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)取石墨烯粉体5重量份、去离子水15重量份以及分散剂PETS3.3重量份加入造粒设备中制成第一石墨烯抗静电母粒；
2)将第一石墨烯坑静电母粒于烘箱在100℃下烘24h去掉水份，获得第二石墨烯抗静电母粒；
3)取PVC树脂120重量份、有机锡热稳定剂4.8重量份、ACR抗冲改性剂6重量份、MBS增韧剂8重量份以及步骤2)所获得的第二石墨烯抗静电母粒8.4重量份加入到转矩流变仪与175℃密炼加工5min，从而获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为实施例4样品，对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻见表1所示。
实施例5
一种石墨烯/PVC抗静电复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)取石墨烯粉体5.4重量份、去离子水16.2重量份以及分散剂ODEA3.6重量份加入造粒设备制成第一石墨烯抗静电母粒；
2)将第一石墨烯坑静电母粒于烘箱在110℃下烘24h去掉水份，获得第二石墨烯抗静电母粒；
3)取PVC树脂115重量份、有机锡热稳定剂4.6重量份、ACR抗冲改性剂5.7重量份、XNBR增韧剂10重量份以及步骤2)所获得的第二石墨烯抗静电母粒10重量份加入到转矩流变仪于185℃密炼加工8min，从而获得石墨烯/PVC抗静电复合材料，记为实施例4样品，对获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料进行测试，其表面电阻见表1所示。
表1为未改性PVC与实施例1-5、对比例1-3中石墨烯/PVC抗静电复合材料表面电阻对照表
从表1可以看出，相比于对照例1-3中改性的PVC，实施例1-5改性所获得石墨烯/PVC抗静电复合材料其表面电阻大幅度降低，更重要的是，实施例1-5所采用的石墨烯母粒添加法解决了困扰工业界对于微纳米粉末添加难的问题，既有利于加工过程中石墨烯的添加，又便于此种密度非常小，比表面积巨大粉末的运输及储存，同时避免了飞扬问题，使加工过程绿色环保。本发明所获石墨烯/PVC抗静电复合材料表面电阻较纯PVC树脂显著降低，便于工业化和产业化，设计合理，实用性强。
其中实施例1-5中所采用的石墨烯为机械剥离石墨烯。
综上所述，藉由本发明的上述技术方案获得的石墨烯/PVC抗静电复合材料的表面电阻大幅度降低，操作简单，便于工业化和产业化，设计合理，实用性强。
此外，本案发明人还参照实施例1-5的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有低表面电阻的石墨烯/PVC抗静电复合材料。
本发明实施例提供的石墨烯/PVC抗静电复合材料及其制备方法解决了现有技术中石墨烯分散难的问题，充分发挥石墨烯的特性，同时通过石墨烯造粒技术，将石墨烯制备成母粒再添加到PVC基体材料中，有效的解决了加工过程中石墨烯飞扬的问题，其过程绿色环保，这对PVC行业的进一步发展和石墨烯产业的发展都具有非常大的促进作用，具有重要的战略意义和巨大的经济效益。
应当理解，上述实施例仅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/PVC抗静电复合材料的制备方法，其特征在于包括：
将3.6-6重量份的石墨烯、10.8-18重量份的溶剂以及2.4-4重量份的分散剂混合制备形成第一石墨烯抗静电母粒，对所述第一石墨烯抗静电母粒进行干燥处理后获得第二石墨烯抗静电母粒；
将6-10重量份的第二石墨烯抗静电母粒、80-120重量份的PVC树脂、3.2-4.8重量份的有机锡热稳定剂、4-6重量份的ACR抗冲改性剂以及5-10重量份的增韧剂搅拌混合，之后经密炼加工后获得所述石墨烯/PVC抗静电复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为80-120℃，干燥时间为12-24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌混合的搅拌速度为1500-2000r/min，搅拌时间为10-15min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述密炼加工的温度为175-185℃，密炼时间为5-8min。
5.由权利要求1-4中任一项所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料制备方法制备的石墨烯/PVC抗静电复合材料。
6.一种石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特征在于包括以重量份计的如下组分：第二石墨烯抗静电母粒6-10份、PVC树脂80-120份、有机锡热稳定剂3.2-4.8份、ACR抗冲改性剂4-6份以及增韧剂5-10份。
7.根据权利要求6所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特征在于：所述第二石墨烯抗静电母粒由第一石墨烯抗静电母粒除去溶剂后形成；所述第一石墨烯抗静电母粒包括以重量份计的如下组分：石墨烯3.6-6份、溶剂10.8-18份以及分散剂2.4-4份。
8.根据权利要求6或7所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特征在于：所述第二石墨烯抗静电母粒中石墨烯的含量为50-60wt％；和/或，所述石墨烯选自机械剥离石墨烯；优选的，所述石墨烯为石墨烯粉体。
9.根据权利要求7所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特征在于：所述分散剂包括PE蜡、PVP和CEVA中任意一种或两种以上的组合；和/或，所述溶剂包括水；优选的，所述溶剂选自去离子水；和/或，所述PVC树脂的分子量为50000-100000；和/或，所述增韧剂包括EVA、MBS和XNBR中任意一种或两种以上的组合。
10.根据权利要求5或6所述的石墨烯/PVC抗静电复合材料，其特征在于：所述石墨烯/PVC抗静电复合材料的表面电阻为106-109Ω。
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