CN111534012A - 一种聚丙烯/石墨导电复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于避雷接闪器技术领域，尤其涉及一种聚丙烯/石墨导电复合材料及其制备方法和应用。本发明通过在聚丙烯内添加石墨粉，并引入钛酸酯，通过调控丙烯酸、马来酸酐接枝聚丙烯、石墨粉、抗氧剂、表面处理剂和加工助剂的配比，使得聚丙烯/石墨导电复合材料导电性能好、重量轻且机械性能良好，可用于避雷接闪器，避雷接闪器使用该聚丙烯/石墨导电复合材料后可实现轻量化、易携带且接闪性能优异的效果。
Description
技术领域
本发明属于避雷接闪器技术领域，尤其涉及一种聚丙烯/石墨导电复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
避雷接闪器是指直接截受雷击的避雷针、避雷带(线)、避雷网，以及利用作接闪的金属屋面和金属构件等。它与引下线、接地装置有良好的电气连接，其作用是当雷电直接击中它时,雷电流从它的本身通过引下线、接地装置,迅速泄流到大地，从而保护了建筑物和建筑物内的电气设备。
目前，用于高压电网上的避雷接闪器主体多为金属材料，金属材料制成的避雷接闪器具有重量大，携带安装不便的特点，因此亟需研发一种导电性能良好且机械性能良好(可抵御大风天气)的材料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种聚丙烯/石墨导电复合材料及其制备方法和应用，该聚丙烯/石墨导电复合材料导电性能好、质量轻且机械性能良好，可应用于避雷接闪器。
本发明的具体技术方案如下：
一种聚丙烯/石墨导电复合材料，按质量份计，包括以下原料：
聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯40～80份、石墨粉70～160份、抗氧剂0.3～1.8份、表面处理剂1.2～3.9份和加工助剂0.28～1.74份；
所述表面处理剂为稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的混合物。
本发明通过在聚丙烯内添加石墨粉，并引入钛酸酯，通过调控丙烯酸、马来酸酐接枝聚丙烯、石墨粉、抗氧剂、表面处理剂和加工助剂的配比，使得聚丙烯/石墨导电复合材料导电性能好、重量轻且机械性能良好，可用于避雷接闪器。
优选的，所述稀土铝酸酯偶联剂和所述钛酸酯的质量比为(0.8～1.2)：(0.7～1.5)。
优选的，所述稀土铝酸酯偶联剂和所述钛酸酯的质量比为1：1。
优选的，所述聚丙烯为无规共聚聚丙烯；
所述马来酸酐接枝聚丙烯的粒径为70～90nm。
本发明中，聚丙烯的分子量为10,000-10,000,000，马来酸酐接枝聚丙烯的分子量为9000～12000。
优选的，所述石墨粉经膨胀石墨研磨得到；
所述石墨粉的起始膨胀温度为170～200℃。
优选的，所述抗氧剂包括酚类抗氧化剂和亚磷酸酯类抗氧化剂；
所述加工助剂为硬脂酸钙和/或硬脂酸锌。
本发明中，酚类抗氧化剂作为主要抗氧剂，亚磷酸酯类抗氧化剂作为辅助抗氧剂。
本发明还提供了上述技术方案所述聚丙烯/石墨导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将石墨粉搅拌加热，再加入表面处理剂搅拌并升温，冷却干燥后加入马来酸酐接枝聚丙烯，再加入聚丙烯、抗氧化剂和加工助剂，得到混合料；
b)将混合料进行挤出成型，得到所述聚丙烯/石墨导电复合材料。
优选的，步骤a)所述搅拌加热的温度为70～90℃；
所述搅拌加热的时间为10～30min；
所述升温具体为升温至100～110℃。
步骤a)得到混合料之前，优选在常温下混合均匀3～5min。
优选的，步骤b)所述挤出成型采用双螺杆挤出机；
所述双螺杆挤出机的工作螺杆转速为180～270rpm；
所述双螺杆挤出机的工作温度为150～220℃；
所述双螺杆挤出机的工作时间为100～120min。
本发明还提供了上述技术方案所述聚丙烯/石墨导电复合材料在避雷接闪器中的应用。
聚丙烯/石墨导电复合材料可作为避雷接闪器的接闪环与杆部材料，应用于电力、军事以及石化等领域。
综上所述，本发明提供了一种聚丙烯/石墨导电复合材料，按质量份计，包括以下原料：聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯40～80份、石墨粉70～160份、抗氧剂0.3～1.8份、表面处理剂1.2～3.9份和加工助剂0.28～1.74份；所述表面处理剂为稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的混合物。本发明通过在聚丙烯内添加石墨粉，并引入钛酸酯，通过调控丙烯酸、马来酸酐接枝聚丙烯、石墨粉、抗氧剂、表面处理剂和加工助剂的配比，使得聚丙烯/石墨导电复合材料导电性能好、重量轻且机械性能良好，可用于避雷接闪器，避雷接闪器使用该聚丙烯/石墨导电复合材料后可实现轻量化、易携带且接闪性能优异的效果。
具体实施方式
本发明提供了一种聚丙烯/石墨导电复合材料及其制备方法和应用，该聚丙烯/石墨导电复合材料导电性能好、质量轻且机械性能良好，可应用于避雷接闪器。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例中，无规共聚聚丙烯分子量为10,000-10,000,000；马来酸酐接枝聚丙烯型号为GP715，分子量为9000～12000；抗氧剂包括酚类抗氧化剂和亚磷酸酯类抗氧化剂，加工助剂为硬脂酸钙。
实施例1
本实施例进行聚丙烯/石墨复合材料的制备。
以质量份计，无规共聚聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯40份(粒径为70nm)、石墨粉70份(起始膨胀温度为170℃)、抗氧剂0.3份、表面处理剂1.2份(由稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯以质量0.8：0.7的比例混合得到)和加工助剂0.28份。
制备方法如下：
1)先将石墨粉进行搅拌加热，搅拌加热温度为70℃，搅拌加热时间为10min，随后加入表面处理剂一同搅拌并升温至100℃，待冷却干燥后加入马来酸酐接枝聚丙烯，然后再投入无规共聚聚丙烯、抗氧剂和加工助剂，在常温下混合均匀3min，得到混合料；
2)将步骤1)混合料投入到双螺杆挤出机中进行挤压成型，工作螺杆转速180rpm，工作温度设置为150℃，工作时间为100min，得到聚丙烯/石墨导电复合材料。
实施例2
本实施例进行聚丙烯/石墨复合材料的制备。
以质量份计，无规共聚聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯60份(粒径为80nm)、石墨粉110份((起始膨胀温度为185℃))、抗氧剂1.0份、表面处理剂2.5份(由稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯以质量1.2：1.5的比例混合得到)和加工助剂0.97份。
制备方法如下：
1)先将石墨粉进行搅拌加热，搅拌加热温度为80℃，搅拌加热时间为20min，随后加入表面处理剂一同搅拌并升温至105℃，待冷却干燥后加入马来酸酐接枝聚丙烯，然后再投入无规共聚聚丙烯、抗氧剂和加工助剂，在常温下混合均匀4min，得到混合料；
2)将步骤1)混合料投入到双螺杆挤出机中进行挤压成型，工作螺杆转速225rpm，工作温度设置为180℃，工作时间为100min，得到聚丙烯/石墨导电复合材料。
实施例3
本实施例进行聚丙烯/石墨复合材料的制备。
以质量份计，无规共聚聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯80份(粒径为90nm)、石墨粉160份(起始膨胀温度为200℃)、抗氧剂1.8份、表面处理剂3.9份(由稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯以质量1：1的比例混合得到)和加工助剂1.74份。
制备方法如下：
1)先将石墨粉进行搅拌加热，搅拌加热温度为90℃，搅拌加热时间为30min，随后加入表面处理剂一同搅拌并升温至110℃，待冷却干燥后加入马来酸酐接枝聚丙烯，然后再投入无规共聚聚丙烯、抗氧剂和加工助剂，在常温下混合均匀5min，得到混合料；
2)将步骤1)混合料投入到双螺杆挤出机中进行挤压成型，工作螺杆转速270rpm，工作温度设置为220℃，工作时间为100min，得到聚丙烯/石墨导电复合材料。
实施例4
将纯聚丙烯和实施例1-3聚丙烯/石墨导电复合材料均进行性能测试，测试结果如表1所示，结果表明，与纯聚丙烯相比，实施例1-3聚丙烯/石墨导电复合材料的20℃时体积电阻率更低，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度更大，明显提高了导电性和机械性能。该聚丙烯/石墨导电复合材料无需使用金属，同体积聚丙烯/石墨导电复合材料与以往避雷接闪器所用金属的质量相比，能够减少为原金属质量的五分之一。随着稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的配比改变，聚丙烯/石墨导电复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度呈现先增后减的态势。且当二者的比例趋近于1:1时，力学性能达到最大值；随着石墨含量的增加，聚丙烯/石墨导电复合材料的电阻率显著下降，但当稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的配比偏离1:1时，电阻率下降的程度出现了降低，在石墨含量最多，且稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的配比趋向于1:1时，聚丙烯/石墨导电复合材料的力学性能达到最大，电阻率达到最低。
表1纯聚丙烯和实施例1-3聚丙烯/石墨导电复合材料的性能测试结果
| 纯聚丙烯 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 拉伸强度(MPa) | 25.35 | 40.53 | 34.29 | 42.31 |
| 弯曲强度(MPa) | 30.21 | 38.97 | 33.47 | 40.36 |
| 冲击强度(J/M) | 150 | 186 | 169 | 212 |
| 20℃时体积电阻率(ohm.cm) | 1.5*10<sup>13</sup> | 4.3*10<sup>5</sup> | 7.9*10<sup>7</sup> | 3.6*10<sup>5</sup> |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，按质量份计，包括以下原料：
聚丙烯85份、马来酸酐接枝聚丙烯40～80份、石墨粉70～160份、抗氧剂0.3～1.8份、表面处理剂1.2～3.9份和加工助剂0.28～1.74份；
所述表面处理剂为稀土铝酸酯偶联剂和钛酸酯的混合物。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，所述稀土铝酸酯偶联剂和所述钛酸酯的质量比为(0.8～1.2)：(0.7～1.5)。
3.根据权利要求2所述的聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，所述稀土铝酸酯偶联剂和所述钛酸酯的质量比为1：1。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，所述聚丙烯为无规共聚聚丙烯；
所述马来酸酐接枝聚丙烯的粒径为70～90nm。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，所述石墨粉经膨胀石墨研磨得到；
所述石墨粉的起始膨胀温度为170～200℃。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯/石墨导电复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括酚类抗氧化剂和亚磷酸酯类抗氧化剂；
所述加工助剂为硬脂酸钙和/或硬脂酸锌。
7.权利要求1至6任意一项所述聚丙烯/石墨导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将石墨粉搅拌加热，再加入表面处理剂搅拌并升温，冷却干燥后加入马来酸酐接枝聚丙烯，再加入聚丙烯、抗氧化剂和加工助剂，得到混合料；
b)将混合料进行挤出成型，得到所述聚丙烯/石墨导电复合材料。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤a)所述搅拌加热的温度为70～90℃；
所述搅拌加热的时间为10～30min；
所述升温具体为升温至100～110℃。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤b)所述挤出成型采用双螺杆挤出机；
所述双螺杆挤出机的工作螺杆转速为180～270rpm；
所述双螺杆挤出机的工作温度为150～220℃；
所述双螺杆挤出机的工作时间为100～120min。
10.权利要求1至6任意一项所述聚丙烯/石墨导电复合材料在避雷接闪器中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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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 | ||
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Application publication date: 20200814 |