CN112625342B - 一种石墨烯改性塑料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性塑料及其制备方法和应用，所述石墨烯改性塑料的制备原料包括石墨烯包覆塑料、填料和助剂，所述石墨烯包覆塑料是由石墨烯粉包覆在塑料粉表面而成的粉末材料。本发明的石墨烯包覆在塑料表面，有效解决了石墨烯在塑料中存在的分散难的问题，赋予塑料抗静电性能，并提高塑料的阻燃性能。而且石墨烯的引入还可以减少阻燃剂的使用量，使用更少的阻燃剂就可以达到高阻燃的要求；同时引入石墨烯还能提升改性塑料的力学性能和耐摩擦性能。同时，本发明的工艺操作简单，制备好石墨烯包覆的聚丙烯母粒即可直接挤出造粒，解决了石墨烯分散难题，易于规模化生产。

Description

一种石墨烯改性塑料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种石墨烯改性塑料及其制备方法和应用。

背景技术

聚丙烯具有质优价廉、原料来源丰富、力学性能好、密度小、化学稳定性好等优点，在化工、建筑、汽车、纺织、医疗、家电等领域有着广泛的应用。但聚丙烯属于高绝缘的易燃材料，其制品在使用中易积聚大量静电导致火花放电而引发燃爆灾害事故；同时聚丙烯遇到明火时，极易被点燃，并迅速燃烧造成火灾，这些问题都大大限制了聚丙烯在电子、医疗和化工等领域的应用。

随着安全生产的需要，聚丙烯材料同时具有阻燃和抗静电的需求越来越大。但对聚丙烯而言，阻燃和抗静电是两个相对独立的过程，传统的赋予塑料抗静电阻燃性能的方法是通过添加导电剂和阻燃剂来实现。阻燃剂一般是绝缘的，导电剂包括金属粉、炭黑，碳纤维等。金属粉的导电性好，但密度大，不符合塑料制品轻量化的要求。传统的碳系导电填料，导电性不好，往往需要较大的添加量才能使材料具有抗静电性能，然而填料使用量过高又容易造成材料力学性能下降明显。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，具有独特的二维纳米结构，具有电子传输速率高、导电性好、热导率高等优点，是目前已知的最薄却最坚硬、导电导热性能最好的纳米材料，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都有很好的应用前景。

将石墨烯引入到聚丙烯塑料中后，极少的添加量就可以赋予聚丙烯优异的抗静电性能，且石墨烯本身稳定性好，不燃烧，具有一定的阻燃性能。但石墨烯比表面积大，密度小，直接使用无法良好的分散在塑料体系中，导致其性能不佳。专利CN103232637A在有机溶剂中通过马来酸酐接枝聚丙烯和聚丙烯形成均相共容体系来促进石墨烯的分散，最终制得石墨烯/聚丙烯导电纳米复合材料，但反应过程耗时长，且需要大量有机溶剂，效率低，也不环保。

发明内容

本发明的目的在于解决石墨烯在塑料中分散难的问题，提供一种石墨烯改性塑料，能够有效在塑料中分散石墨烯，提高塑料的阻燃性能和抗静电性能。

本发明还提供一种石墨烯改性塑料的制备方法和应用。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一方面是提供一种石墨烯改性塑料，所述石墨烯改性塑料的制备原料包括石墨烯包覆塑料、填料和助剂，所述石墨烯包覆塑料是由石墨烯粉包覆在塑料粉表面而成的粉末材料。

所述石墨烯粉和塑料粉的质量比为1：(5～50)，优选1：(5～25)，进一步优选1：(8～16)，最优选1：(8～10)。

所述塑料包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚酰胺中的至少一种。

所述石墨烯改性塑料包括如下质量份的制备原料：

石墨烯包覆塑料80～90份

填料10～20份

助剂1～5份。

所述填料包括钛白粉、云母粉、高岭土、玻璃纤维中的至少一种。

所述的助剂包括消光剂、抗氧化剂、润湿剂、阻燃剂、增塑剂中的至少一种。

本发明的第二方面是提供一种石墨烯改性塑料的制备方法，包括如下步骤：

将石墨烯包覆塑料和填料、助剂按质量比混合后，进行挤出造粒即得到石墨烯改性塑料。

所述石墨烯包覆塑料的制备方法为：将石墨烯粉与水混合后搅拌，均质分散得到石墨烯浆料；将所述石墨烯浆料与塑料粉混合，干燥得到石墨烯包覆塑料。

所述石墨烯粉和塑料粉的质量比为1：(5～50)，优选1：(5～25)，进一步优选1：(8～16)，最优选1：(8～10)。

所述石墨烯粉是物理法、还原法或电弧法制备的石墨烯粉体，其平均粒径为20～30μm。

所述石墨烯浆料的浓度为0.01～0.2g/ml，优选0.02～0.1g/ml。

所述塑料粉的粒径在任意方向上为2～5mm。

所述搅拌的速度是500～1000r/min，搅拌时间是30～120min。

将所述石墨烯与水进行均质分散的方法包括高压均质、微流均质或射流均质，均质1～5次。

所述石墨烯浆料与塑料粉的混合方法包括滚筒混合或双锥混合。

所述的干燥包括烘干、冻干、喷雾干燥中的至少一种。

本发明的第三方面是提供所述石墨烯改性塑料在制备化工设备、建材、汽车零部件、纺织品、医疗设备或家用电器中的应用。

所述化工设备包括化工容器、反应塔、反应器、换热器、加热炉等。

所述建材包括装饰板、电缆、电线、开关插座、厨具、洁具、门窗、灯具等。

所述汽车零部件包括保险杠、仪表板护板、门板、立柱等。

所述纺织品包括纱线、机织物、针织物、编织物等。

所述医疗设备包括诊断设备、治疗设备、辅助设备等。

所述家用电器包括制冷电器、空调器、清洁电器、厨房啊电器、电暖器具、声像电器等。

本发明基于如下原理：石墨烯不亲水，在水相中不加分散剂均质处理后，低浓度的石墨烯会在水相中形成一种相对稳定的“假性分散”膏状物浆料，这种状态下的石墨烯膏状物浆料既不易团聚，也不易沉降。将其和塑料粉混合时，由于塑料粉不亲水，且塑料粉粒径小，和石墨烯有一定的吸附性，会使得石墨烯“假性分散”膏状物的浆料平衡性被破坏。由于石墨烯不亲水，在水相中只能包覆在塑料粉表面；搅拌使石墨烯尽可能的包覆在塑料粉表面，脱除水分后，形成了石墨烯包覆的塑料粉，使石墨烯均匀分散在塑料中。再加入其它助剂和填料可制得石墨烯改性塑料。

由于石墨烯具有超强的导电性，很少量的石墨烯添加量均匀分散在塑料中，即可在体系中形成导电通路，从而赋予聚丙烯材料优异的抗静电性能。同时由于石墨烯具有特殊的二维结构，在材料中形成“迷宫效应”，一方面可以有效阻隔阻燃物质的迁移，提高塑料的阻燃性能，延长塑料的寿命；另一方面，石墨烯本身具有非常高的比表面积，可以吸附易燃有机挥发物，防止其在燃烧过程中释放和扩散，延长热量传播路径和燃烧气体的燃烧路径。而且石墨烯在高温下氧化燃烧生成二氧化碳，进一步阻碍塑料的燃烧。

本发明具有如下有益效果：

本发明的石墨烯包覆在塑料表面，有效解决了石墨烯在塑料中存在的分散难的问题，赋予塑料抗静电性能，并提高塑料的阻燃性能。而且石墨烯的引入还可以减少阻燃剂的使用量，使用更少的阻燃剂就可以达到高阻燃的要求；同时引入石墨烯还能提升改性塑料的力学性能和耐摩擦性能。同时，本发明的工艺操作简单，制备好石墨烯包覆的聚丙烯母粒即可直接挤出造粒，解决了石墨烯分散难题，易于规模化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

以下的实施例和对比例中，如没有特殊说明，所述石墨烯粉的D₅₀为25μm，所述聚丙烯粉的D₁₀₀为5mm。所述多聚磷酸铵阻燃剂为APP系列阻燃剂，所述抗氧剂为亚磷酸酯抗氧化剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯增塑剂。

实施例1

将500g石墨烯粉和5000g去离子水混合，机械搅拌(1000r/min，60min)后，经过高压均质处理(100MPa，均质5次)得到石墨烯浆料。

将所述石墨烯浆料和4500g聚丙烯粉混合，通过滚筒搅拌5min后，120℃干燥12h得到石墨烯包覆聚丙烯粉。

取2450g石墨烯包覆聚丙烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，5.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到石墨烯改性聚丙烯。

实施例2

将200g石墨烯粉和2000g去离子水混合，机械搅拌(600r/min，60min)后，经过高压均质处理(100MPa，均质5次)得到石墨烯浆料。

将所述石墨烯浆料和4800g聚丙烯粉混合，通过滚筒搅拌5min后，120℃干燥12h得到石墨烯包覆聚丙烯粉。

取2450g石墨烯包覆聚丙烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，3.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到石墨烯改性聚丙烯。

实施例3

将300g石墨烯粉和3000g去离子水混合，机械搅拌(800r/min，60min)后，经过高压均质处理(100MPa，均质5次)得到石墨烯浆料。

将所述石墨烯浆料和4700g聚丙烯粉混合，通过滚筒搅拌5min后，120℃干燥10h得到石墨烯包覆聚丙烯粉。

取2450g石墨烯包覆聚丙烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，2.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到石墨烯改性聚丙烯。

对比例1

将500g炭黑粉和5000g去离子水混合，机械搅拌(800r/min，60min)后，经过高压均质处理(100MPa，均质5次)得到炭黑浆料。

将所述炭黑浆料和4500g聚丙烯粉混合，通过滚筒搅拌5min后，120℃干燥12h得到炭黑包覆聚丙烯粉。

取2450g炭黑包覆聚丙烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，5.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到炭黑改性聚丙烯。

对比例2

取2185g聚丙烯粉，245g石墨烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，5.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到石墨烯改性聚丙烯。

对比例3

将20g石墨烯粉和1000g去离子水混合，机械搅拌(500r/min，60min)后，经过高压均质处理(100MPa，均质5次)得到石墨烯浆料。

将所述石墨烯浆料和4975g聚丙烯粉混合，通过双锥混合10min后，120℃干燥6h得到石墨烯包覆聚丙烯粉。

取2450g石墨烯包覆聚丙烯粉，450g多聚磷酸铵阻燃剂，2.5g抗氧化剂，2.5g增塑剂混合后，双螺杆挤出造粒得到石墨烯改性聚丙烯。

对实施例1～3和对比例1～3制得的材料进行性能测试(以下各项目均在室温25℃下进行测试)，测试结果如下：

测试结果反映，实施例1～3的石墨烯改性聚丙烯的体积电阻率较低，说明其具有良好的导电性和抗静电性能，同时具有较高的氧指数，阻燃性能良好，且力学性能优异，其中实施例1具有最好的综合性能。相比之下，对采用炭黑粉替代石墨烯对聚丙烯进行包覆，或者仅将石墨烯和聚丙烯进行简单混合，而不进行包覆，结果其体积电阻率相较实施例1～3增高了10个左右数量级，同时氧指数也发生了少量降低，力学性能有所下降，说明通过石墨烯包覆聚丙烯能很好地提高聚丙烯的抗静电性能，同时改善抗阻燃性能和力学性能。比例3的石墨烯改性聚丙烯的体积电阻率相较实施例1～3也增高了10个左右数量级，抗静电性能明显降低，可能是由于石墨烯包覆量过低的原因。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种石墨烯改性塑料，其特征在于：所述石墨烯改性塑料包括如下质量份的制备原料：石墨烯包覆塑料80～90份、填料10～20份和助剂1～5份；所述石墨烯包覆塑料是将石墨烯粉与水混合后搅拌，均质分散得到石墨烯浆料，将所述石墨烯浆料与塑料粉混合，干燥得到的由石墨烯粉包覆在塑料粉表面而成的粉末材料，所述石墨烯粉和塑料粉的质量比为1：（5～50）；所述石墨烯粉的平均粒径为20～30μm，所述石墨烯浆料的浓度为0.01～0.2g/mL；所述塑料包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚酰胺中的至少一种，所述塑料粉的平均粒径为2～5mm；所述填料包括钛白粉、云母粉、高岭土、玻璃纤维中的至少一种，所述助剂包括阻燃剂、抗氧剂、增塑剂。

2.权利要求1所述石墨烯改性塑料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

将石墨烯包覆塑料和填料、助剂按质量比混合后，进行挤出造粒即得到石墨烯改性塑料。

3.权利要求1所述石墨烯改性塑料在制备化工设备、建材、汽车零部件、医疗设备或家用电器中的应用。