CN112626893A - 一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚甲醛绳缆技术领域，尤其为一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛60～72份，高分子聚乙烯22～26份，碳纤维3～7份，石墨烯0.1～0.3份，分散剂2～5份，紫外线吸收剂0.2～0.4份、补强剂0.1～0.3份，抗氧剂0.6～1份。本发明采用聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维和石墨烯为主要原料，使聚甲醛绳缆具有高模量、高韧性和高耐磨的特性，同时具有良好的耐高温性能；石墨烯对聚甲醛起到异相成核作用，使聚甲醛绳缆具有高拉伸强度，力学性能优异，进一步提高了聚甲醛纤维的强度和耐磨性能够使石墨烯的片层分隔开来，避免其聚集，使石墨烯分散更为均匀。

Description

一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺
技术领域
本发明涉及聚甲醛绳缆技术领域，具体为一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺。
背景技术
石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚度。石墨烯具有高的电、热导率，良好的机械强度等诸多优点，已经在材料与工程领域广泛应用。结构完整的石墨烯是由稳定的苯六元环组成的二维晶体，表面呈惰性，化学稳定性高，并且石墨烯片层之间有较强的范德华力，容易聚集，难溶于其他介质，从而在一定程度上阻碍了石墨烯的进一步研究和应用。
聚甲醛是一种热塑性工程塑料，在较大的温度范围内具有较高的弹性模量、硬度和刚性等机械性能。因此，聚甲醛作为船用绳缆制造原料逐渐得到应用。但现有的聚甲醛结晶度较高，晶粒大，导致其缺口敏感性大，冲击韧性低，现有技术也有利用石墨烯对聚甲醛进行增强，但石墨烯在聚合物内容易聚集的问题没有得到解决，且制得的聚甲醛绳缆的强度仍有待提高，其耐高温性能不能满足使用需求。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，解决了现有的聚甲醛绳缆存在强度不足、韧性低，石墨烯分散性较差，耐高温性能不佳的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛60～72份，高分子聚乙烯22～26份，碳纤维3～7份，石墨烯0.1～0.3份，分散剂2～5份，紫外线吸收剂0.2～0.4份、补强剂0.1～0.3份，抗氧剂0.6～1份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在400～800r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在800～1200r/min、反应温度为90～100℃的条件下搅拌反应20～30min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1步骤中分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯和聚乙烯醇中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-9、UV-531、UV-326、UV-328和UV-1164产品中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1步骤中抗氧剂为四（β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸）季戊四醇酯、β-（4-羟基苯基-3，5-二叔丁基）丙酸正十八碳醇酯、2，6-二叔丁基对甲苯酚和4，4'-硫代双（6-叔丁基-3-（甲基）苯酚）中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S2步骤中非金属元素为硫、氮、磷、碳、硅和硼中的一种或多种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸6～10倍，油浴温度80～100℃，高温油浴时间5-10秒钟。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，具备以下有益效果：
该石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，采用聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维和石墨烯为主要原料，加入高分子聚乙烯和碳纤维后，使聚甲醛绳缆具有高模量、高韧性和高耐磨的特性，同时具有良好的耐高温性能；石墨烯对聚甲醛起到异相成核作用，使聚甲醛绳缆具有高拉伸强度，力学性能优异，进一步提高了聚甲醛纤维的强度和耐磨性，采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入硫、氮、磷、碳、硅、硼等非金属元素，能够使石墨烯的片层分隔开来，避免其聚集，使石墨烯分散更为均匀，以此达到提高聚合物复合材料整体性能的目的。
附图说明
图1为本发明石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
实施例1
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛60份，高分子聚乙烯26份，碳纤维7份，石墨烯0.3份，分散剂5份，紫外线吸收剂0.4份、补强剂0.3份，抗氧剂1份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在400r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在8000r/min、反应温度为90℃的条件下搅拌反应20min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
具体的，S1步骤中分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
具体的，S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-9。
具体的，S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
具体的，S1步骤中抗氧剂为四（β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸）季戊四醇酯。
具体的，S2步骤中非金属元素为硫、氮、磷三种元素。
具体的，S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸6倍，油浴温度80℃，高温油浴时间5秒钟。
实施例2
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛72份，高分子聚乙烯22份，碳纤维3份，石墨烯0.1份，分散剂2份，紫外线吸收剂0.2份、补强剂0.1份，抗氧剂0.6份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在600r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在1000r/min、反应温度为14℃的条件下搅拌反应22min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
具体的，S1步骤中分散剂为聚丙烯酰胺。
具体的，S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-531。
具体的，S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
具体的，S1步骤中抗氧剂为、β-（4-羟基苯基-3，5-二叔丁基）丙酸正十八碳醇酯。
具体的，S2步骤中非金属元素为硅和硼。
具体的，S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸8倍，油浴温度85℃，高温油浴时间7秒钟。
实施例3
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛67份，高分子聚乙烯24份，碳纤维5份，石墨烯0.1份，分散剂3份，紫外线吸收剂0.2份、补强剂0.1份，抗氧剂0.6份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在700r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在1100r/min、反应温度为97℃的条件下搅拌反应25min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
具体的，S1步骤中分散剂为聚氧化乙烯。
具体的，S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-326。
具体的，S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
具体的，S1步骤中抗氧剂为2，6-二叔丁基对甲苯酚。
具体的，S2步骤中非金属元素为碳和硅。
具体的，S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸8倍，油浴温度95℃，高温油浴时间8秒钟。
实施例4
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛68份，高分子聚乙烯22份，碳纤维5份，石墨烯0.3份，分散剂4份，紫外线吸收剂0.4份、补强剂0.3份，抗氧剂1份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在600r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在1200r/min、反应温度为100℃的条件下搅拌反应20～30min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
具体的，S1步骤中分散剂为聚乙烯醇。
具体的，S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-328。
具体的，S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
具体的，S1步骤中抗氧剂为4，4'-硫代双（6-叔丁基-3-（甲基）苯酚）。
具体的，S2步骤中非金属元素为硼。
具体的，S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸9倍，油浴温度95℃，高温油浴时间9秒钟。
由本实施例1-4制得的石墨烯增强聚甲醛绳缆，采用聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维和石墨烯为主要原料，加入高分子聚乙烯和碳纤维后，使聚甲醛绳缆具有高模量、高韧性和高耐磨的特性，同时具有良好的耐高温性能；石墨烯对聚甲醛起到异相成核作用，使聚甲醛绳缆具有高拉伸强度，力学性能优异，进一步提高了聚甲醛纤维的强度和耐磨性，为保证石墨烯的分散性，采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入硫、氮、磷、碳、硅、硼等非金属元素，能够使石墨烯的片层分隔开来，避免其聚集，使石墨烯分散更为均匀，以此达到提高聚合物复合材料整体性能的目的；另一方面，通过分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂的加入，能够使聚甲醛绳缆具备良好的紫外线吸收性能以及抗氧化性能，整体性能提升明显。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤S1：取以下重量份的原料：聚甲醛60～72份，高分子聚乙烯22～26份，碳纤维3～7份，石墨烯0.1～0.3份，分散剂2～5份，紫外线吸收剂0.2～0.4份、补强剂0.1～0.3份，抗氧剂0.6～1份；
步骤S2：采用离子轰击的方式向石墨烯内掺入非金属元素，对石墨烯进行元素掺杂改性；
步骤S3：将经S2步骤改性所得的石墨烯与聚甲醛、高分子聚乙烯、碳纤维及石墨烯加入到反应器内，在400～800r/min的条件下混合均匀，完成混合后向反应器内依次加入分散剂、紫外线吸收剂、补强剂和抗氧剂，在800～1200r/min、反应温度为90～100℃的条件下搅拌反应20～30min，再通过双螺杆挤出机进行熔融混炼，挤出造粒，得到石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒；
步骤S4：采用熔融纺丝的方式将经S3步骤制得的石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯复合母粒纺成纤维束，纤维束经冷却、拉伸、热定型和卷绕制得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维；
步骤S5：将经S4步骤所得石墨烯增强聚甲醛与高分子聚乙烯共混纤维加捻编织，即得石墨烯增强聚甲醛绳缆。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S1步骤中分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯和聚乙烯醇中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S1步骤中紫外线吸收剂采用紫外线吸收剂UV-9、UV-531、UV-326、UV-328和UV-1164产品中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S1步骤中补强剂采用纳米二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S1步骤中抗氧剂为四（β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸）季戊四醇酯、β-（4-羟基苯基-3，5-二叔丁基）丙酸正十八碳醇酯、2，6-二叔丁基对甲苯酚和4，4'-硫代双（6-叔丁基-3-（甲基）苯酚）中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S2步骤中非金属元素为硫、氮、磷、碳、硅和硼中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强聚甲醛绳缆的制备工艺，其特征在于：所述S4步骤中拉伸方式为高温油浴拉伸，拉伸6～10倍，油浴温度80～100℃，高温油浴时间5-10秒钟。
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