CN109401012A

CN109401012A - 一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109401012A
Application number: CN201811276344.XA
Authority: CN
Inventors: 卢月美; 王书博; 刘建仁
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-03-01

Abstract

本发明公开了一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法，原料为石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂。本发明通过使用石墨烯微片来改善高密度聚乙烯的性能，制得了一种高密度聚乙烯复合材料，大大提高了复合材料的摩擦磨损性能和力学性能；该石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料成本低廉、化学稳定性高、易于加工成型实现大规模生产，在燃气输送、供水排污、农业灌溉以及邮电通讯等领域具有更加广阔的应用前景。

Description

一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯微片（Graphene Nanoplatelets，简称为“GNPs”）是指碳层数多于10层、厚度在5-100nm范围内的超薄石墨烯层状堆积体。目前关于石墨烯作为增强填料改性高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，简称为“HDPE”）的研究较多，但以石墨烯微片作为增强填料改性HDPE的研究较少。相对于石墨烯，GNPs的制备过程更为简单且成本较低，并具有优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性，是一种理想的聚合物基复合材料增强体。

高密度聚乙烯又称低压乙烯，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，机械强度高，常用于制备塑料管材。与其它塑料管材（PVC、聚丙烯等）相比，高密度聚乙烯管材具有耐环境应力、耐开裂、抗蠕变性好、耐腐蚀、绝缘性能好等优点广泛地应用于燃气输送、供水排污、农业灌溉以及邮电通讯等领域。但目前的PE管材易磨损，耐磨性较差，大大降低了PE管材的使用寿命，造成资源的浪费。因此研究开发一种耐磨性能高的高密度聚乙烯管材的制备方法，十分重要和必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法，可提高复合材料的摩擦磨损性能和力学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料，所述复合材料包含的组分按质量份计为：高密度聚乙烯98~99.5份、石墨烯微片0.5~2份和硅烷偶联剂0.05~0.2份，所述硅烷偶联剂质量为石墨烯微片质量的10%。

进一步地，所述的石墨烯微片为碳层数大于10层的超薄石墨烯层状堆积体，其保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构；所述超薄石墨烯层厚度为5-100nm，该石墨烯微片的主要参数为：长度4.4-19.5μm，宽度2.3-9.4μm，厚度0.04-0.1μm，其在复合材料中分散程度和剥离程度非常高，片层间能彼此充分接触从而更有利于材料内部的应力传递，因此复合材料断面存在着更多的立体形貌，可以吸收更多的断裂能，从而材料的力学性能得到明显提高。

上述石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将干燥至恒重的石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂按配比配制成各组分原料后机械混合均匀；

（2）熔融挤出：将混合均匀的原料加入到微型双螺杆挤出机中，在140℃温度下进行熔融共混，并在145℃温度下挤出；

（3）注射成型：将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为45～55℃，注射筒温度为215～225℃，注射压力为0.2～0.3MPa，保压压力为0.2～0.3MPa，注射时间为20s，合模时间为22s。

优选地，模具温度为50℃，注射筒温度为220℃，注射压力为0.25MPa，保压压力为0.25MPa。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用石墨烯微片而不是石墨烯作为增强填料，大大降低了高密度聚乙烯复合材料的成本，同时复合材料通过添加石墨烯微片，能够明显地提高HDPE材料的硬度和拉伸弹性模量，降低HDPE材料的摩擦系数和磨损率。

本发明提供的石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料中添加了石墨烯微片，GNPs自润滑的特性一方面保证了复合材料熔体能够通过直径相当小的喷头顺利、流畅地挤出；另一方面能够减小复合材料对于塑化加工设备(如螺杆挤出机)的磨损，延长设备使用寿命。

本发明采用熔融混合的工艺并辅助使用硅烷偶联剂的方法来制备复合材料，塑化加工过程中双螺杆之间形成的强剪切力会促使GNPs聚集体的破解、分离，以达到GNPs良好的分散；硅烷偶联剂改善材料间的相容性和分散性问题，使该复合材料在具有较好的耐磨性能同时具有较高的力学性能，其中注射成型阶段模具温度设置为45～55℃，改善了熔体在模腔内的流动性，增强制件的密度和结晶度以及减小充模压力和制件中的压力；注射压力为0.2～0.3MPa，保证了熔体在注塑过程中具有较好的流动性能和充模性能，同时保证制件的成型质量；保压压力为0.2～0.3MPa，减少了材料制品的收缩率。

本发明成本低廉、化学稳定性高、易于加工成型，可实现大规模生产，使石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料在燃气输送、供水排污、农业灌溉以及邮电通讯等领域具有更加广阔的应用前景。

附图说明

图1是石墨烯微片的SEM图；

图2是不同石墨烯微片添加量试样的冲击断面形貌图（a-纯HDPE、b-0.5wt%、c-1.0wt%

、d-1.5wt% 、e-2.0wt%）。

具体实施方式

为使发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明，应当了解实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。

本发明公开了一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料的制备方法，由以下组分按质量份数配比制得：高密度聚乙烯98~99.5份，石墨烯微片0.5~2份，硅烷偶联剂0.05~0.2份。

其中高密度聚乙烯，中国石化有限公司生产，密度为956.4kg/m³。石墨烯微片的主要参数：长度4.4-19.5μm，宽度2.3-9.4μm，厚度0.04-0.1μm。

实施例1

（1）将干燥至恒重的石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂按照配比配制成各组分原料，其中高密度聚乙烯99.5份，石墨烯微片0.5份，硅烷偶联剂0.05份，然后机械混合均匀。

（2）熔融挤出：将混合均匀的原料加入到微型双螺杆挤出机中，在140℃温度下进行熔融共混，并在145℃温度下挤出。

（3）注射成型：将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为50℃，注射筒温度为220℃，注射压力为0.25MPa，保压压力为0.25MPa，注射时间为20s，合模时间为22s。

（4）采用MMS-2A微机控制摩擦试验机测试复合材料的摩擦性能。参考标准GB3960-1983将试样制成30mm×7mm×6mm的摩擦试样，将每组试样分两种不同工况（即干摩擦和水润滑工况）下进行试验，其中，转速200r/min，载荷力100N，时间120min。对磨材料：45号钢圆形摩擦环，表面高频淬火，半径40mm。水润滑条件：水滴以每分钟60滴的速度从摩擦试样的侧面滴落在圆环表面。

（5）测试复合材料的力学性能，其中采用D型邵氏硬度计测试试样的硬度，采用CMT6014微机控制电子万能试验机测试试样的拉伸强度，再得到试样的弹性模量。

实施例2

称取高密度聚乙烯99份，石墨烯微片1份，硅烷偶联剂0.1份，按实施例1的步骤及条件制备试样及摩擦性能和力学性能测试。

实施例3

称取高密度聚乙烯98.5份，石墨烯微片1.5份，硅烷偶联剂0.15份。按实施例1的步骤及条件制备试样及摩擦性能和力学性能测试。

实施例4

称取高密度聚乙烯98份，石墨烯微片2份，硅烷偶联剂0.2份。按实施例1的步骤及条件制备试样及摩擦性能和力学性能测试。

对比例1

称取原料高密度聚乙烯100份，石墨烯微片0份，硅烷偶联剂0份，按实施例1的步骤及条件制备试样及摩擦性能和力学性能测试。

因为上述实施例的制备试样和摩擦性能测试步骤一样，所以对比例做一组即可。

该试验中，微机控制摩擦试验机可以自动记录测试过程中的摩擦系数，摩擦系数取其算数平均值。而磨损率则需要通过下述公式（1）、（2）和（3）计算得到。

（1）

（2）

（3）

式中：△V为磨损体积，单位mm³；b为磨痕宽度，单位mm；h为磨痕深度，单位mm；r为对偶环半径，单位mm；R为对偶环实转圈数；F为载荷，单位N。

上述实施例1-4和对比例1测试的摩擦系数和磨损率数据如下表1：

从表1中可以发现，在干摩擦工况下，实施例1-4同对比例1相比，摩擦系数和磨损率均有所下降。其中当石墨烯微片的添加量为1.5wt%（实施例3）时，复合材料的摩擦系数最小，比纯的高密度聚乙烯试样（对比例1）减少了20.6%。当石墨烯微片的添加量为1.0wt%（实施例2）时，复合材料的磨损率最小，比纯的高密度聚乙烯试样（对比例1）的磨损率减小了28.5%。

从上表中可以发现，在水润滑工况下，实施例1-4同对比例1相比，除实施例4磨损率比对比例1高之外，其余摩擦系数和磨损率均有所下降。当石墨烯微片的添加量为1.0wt%（实施例2）时复合材料的摩擦系数和磨损率均是最小，比纯的高密度聚乙烯试样（对比例1）的摩擦系数和磨损率分别减小了28.5%和24.6%。

上述实施例1-4和对比例1测试的邵氏硬度、抗拉强度和弹性模量如下表2：

从表2中可以发现，实施例1-4同对比例1相比，邵氏硬度、抗拉强度和弹性模量等力学性能均有所提高。就邵氏硬度而言，随石墨烯微片添加量的增加，复合材料的邵氏硬度值呈先升高后降低再逐渐升高的趋势。当石墨烯微片的添加量为2.0wt%（实施例4）时，试样的邵氏硬度最大。

对于抗拉强度来说，随石墨烯微片添加量的增加总体呈上升趋势，当石墨烯微片的添加量为1.5wt%（实施例4）时，试样的抗拉强度最大即试样的拉伸性能最好。

弹性模量则随石墨烯微片的添加量从0wt%（对比例1）到1.0wt%（实施例2）时，试样的弹性模量变化幅度很大，从1.0wt%（实施例2）到2.0wt%（实施例4）时，试样的弹性模量变化幅度较小。这些数据表明，石墨烯微片的加入提高了高密度聚乙烯复合材料的弹性模量。

综上所述，本发明制备的石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料有效的提高了材料的摩擦磨损性能和力学性能，并且本发明成本较低、易于加工成型使石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料具有广阔的应用前景。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能考虑到的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述复合材料由石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂组成；按质量百分数计：所述高密度聚乙烯质量分数为98-99.5%，所述石墨烯微片质量分数为0.5-2.0%，两者之和为100%；所述硅烷偶联剂质量为石墨烯微片质量的10%。

2.根据权利要求1所述的石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料，其特征在于，所述的石墨烯微片为碳层数大于10层的超薄石墨烯层状堆积体，所述超薄石墨烯层厚度为5-100nm；该石墨烯微片的主要参数为：长度4.4-19.5μm，宽度2.3-9.4μm，厚度0.04-0.1μm。

3.一种如权利要求1或2所述的石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）将干燥至恒重的石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂按配比配制成各组分原料后混合均匀；

（3）注射成型：将步骤2）中挤出物料注射成型，所述注射成型的工艺参数：模具温度为45～55℃，注射筒温度为215～225℃，注射压力为0.2～0.3MPa，保压压力为0.2～0.3MPa，注射时间为20s，合模时间为22s。