CN112778729B - 一种石墨烯增强smc复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强smc复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，它涉及一种高强度SMC复合材料的制备方法。本发明的目的是要进一步提高现有SMC复合材料制品的抗冲击性较低，易裂、强度不高的问题。方法：一、制备石墨烯分散浆料；二、利用不饱和聚酯树脂、石墨烯浆料、固化剂、脱模剂、无机填料和增稠剂制备石墨烯增强SMC复合材料。本发明制备的石墨烯增强SMC复合材料的机械强度被大幅提高，其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度较之未添加石墨烯的SMC复合材料分别提高了45～91％、35～63％和35～94％。本发明可获得一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法。

Description

一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度SMC复合材料的制备方法。
背景技术
SMC(Sheet Moulding Compound)是片状模塑料，主要由不饱和聚酯树脂和玻璃纤维混合作为中间芯，上下两面用聚乙烯薄膜覆盖，随后熟化一定时间即可进行成型使用，该复合材料制备方法成型周期短，生产成本低，且具有密度小、质量轻、模量高、等优点。现有的SMC材料使制品的抗冲击性较低，易裂、强度不高。
发明内容
本发明的目的是要进一步提高现有SMC复合材料制品的抗冲击性较低，易裂、强度不高的问题，而提供一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法。
一、制备石墨烯浆料：
①、将石墨烯、分散剂和添加剂混合搅拌，得到预混后的溶液；
步骤一①中所述的分散剂和添加剂的质量比为(80～95):(0.1～1)；
步骤一①中所述的预混后的溶液中石墨烯的质量分数为0.5～5％；
②、在超声功率为200W～1500W和压力为10bar～1000bar的条件下，将预混后的溶液在限域管道直径为0.5cm～5cm的管道中混合0.5h～12h，得到石墨烯质量分数为0.5～5％的石墨烯浆料；
二、制备石墨烯增强SMC复合材料：
①、按重量份数称取60份～120份不饱和聚酯树脂、3份～6份石墨烯浆料、16份～22份固化剂、2份～6份脱模剂、180份～280份无机填料和1份～5份增稠剂；
②、首先将60份～120份不饱和聚酯树脂和3份～6份石墨烯分散液加入高速剪切混合机中混合搅拌10min～20min，然后加入16份～22份固化剂和2份～6份脱模剂继续搅拌5min～10min，再加入180份～280份无机填料继续搅拌10min～15min，最后加入1份～5份增稠剂搅拌至体系温度至40℃，得到树脂糊；
③、首先将玻璃纤维均匀分散在两层聚乙烯薄膜之间，然后将树脂糊涂抹在聚乙烯薄膜表面上，再利用压力辊使树脂糊与玻璃纤维充分浸透，随后经过收卷机成卷，得到片状模塑料；将片状模塑料移入到烘房进行熟化加工，得到石墨烯增强SMC复合材料。
本发明的原理及优点：
一、本发明将石墨烯添加到SMC复合材料，利用固化过程中石墨烯与SMC复合材料发生的交联反应，制备高机械强度、高拉伸强度、高耐冲击强度、高弯曲强度、高耐热性的SMC材料，为高性能SMC材料的制备提出了新方法；
二、本发明首先将石墨烯分散在分散剂中，再在限域管道直径为0.5cm～5cm的管道中混合，得到石墨烯分散液；再将石墨烯分散液与不饱和聚酯树脂、固化剂、脱模剂、无机填料和增稠剂混合，制备了石墨烯增强SMC复合材料；此种添加方式避免了石墨烯分散不均匀，容易团聚使材料性能下降的缺点；
三、本发明制备的石墨烯增强SMC复合材料的机械强度被大幅提高，其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度较之未添加石墨烯的SMC复合材料分别提高了45～91％、35～63％和35～94％。
本发明可获得一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法。
附图说明
图1为实施例一步骤一②中预混后的溶液在限域管道中混合时使用的装置结构示意图；
图2为实施例一步骤一②制备的石墨烯/苯乙烯分散液的照片图；
图3为实施例一步骤二②得到的树脂糊的照片图；
图4为实施例一步骤二④得到的石墨烯增强SMC复合材料由收卷机成卷的照片图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、制备石墨烯浆料：
①、将石墨烯、分散剂和添加剂混合搅拌，得到预混后的溶液；
步骤一①中所述的分散剂和添加剂的质量比为(80～95):(0.1～1)；
步骤一①中所述的预混后的溶液中石墨烯的质量分数为0.5～5％；
②、在超声功率为200W～1500W和压力为10bar～1000bar的条件下，将预混后的溶液在限域管道直径为0.5cm～5cm的管道中混合0.5h～12h，得到石墨烯质量分数为0.5～5％的石墨烯浆料；
二、制备石墨烯增强SMC复合材料：
①、按重量份数称取60份～120份不饱和聚酯树脂、3份～6份石墨烯浆料、16份～22份固化剂、2份～6份脱模剂、180份～280份无机填料和1份～5份增稠剂；
②、首先将60份～120份不饱和聚酯树脂和3份～6份石墨烯分散液加入高速剪切混合机中混合搅拌10min～20min，然后加入16份～22份固化剂和2份～6份脱模剂继续搅拌5min～10min，再加入180份～280份无机填料继续搅拌10min～15min，最后加入1份～5份增稠剂搅拌至体系温度至40℃，得到树脂糊；
③、首先将玻璃纤维均匀分散在两层聚乙烯薄膜之间，然后将树脂糊涂抹在聚乙烯薄膜表面上，再利用压力辊使树脂糊与玻璃纤维充分浸透，随后经过收卷机成卷，得到片状模塑料；将片状模塑料移入到烘房进行熟化加工，得到石墨烯增强SMC复合材料。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式将石墨烯添加到SMC复合材料，利用固化过程中石墨烯与SMC复合材料发生的交联反应，制备高机械强度、高拉伸强度、高耐冲击强度、高弯曲强度、高耐热性的SMC材料，高性能SMC材料的制备提出了新方法；
二、本实施方式首先将石墨烯分散在分散剂中，再在限域管道直径为0.5cm～5cm的管道中混合，得到石墨烯分散液；再将石墨烯分散液与不饱和聚酯树脂、固化剂、脱模剂、无机填料和增稠剂混合，制备了石墨烯增强SMC复合材料；此种添加方式避免了石墨烯分散不均匀，容易团聚使材料性能下降的缺点；
三、本实施方式制备的石墨烯增强SMC复合材料的机械强度被大幅提高，其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度较之未添加石墨烯的SMC复合材料分别提高了45～91％、35～63％和35～94％。
本实施方式可获得一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一①中所述的添加剂为N-辛基-2-吡咯烷酮、N-癸基-2-吡咯烷酮、P123、F127或PVP；步骤一①中所述的石墨烯的片层厚度0.4nm～100nm，D50≤2.5，D90≤4。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一①中所述的分散剂为苯乙烯、乙二醇、新戊二醇、丁酸丁酯、松油醇、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、乙二酸二乙酯、柠檬酸三丁酯和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种的混合液。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一①中所述的苯乙烯的相对分子量为104.15。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一①中所述的混合搅拌的速度为100r/min～500r/min，混合搅拌的时间为1h～2h。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二①中所述的不饱和聚酯树脂为乙烯基树脂、邻苯型不饱和聚酯和间苯型不饱和聚酯中的一种或其中几种的混合物。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二①中所述的固化剂为过氧化环己酮二丁酯溶液或过氧化二苯甲酰二丁酯溶液；所述的过氧化环己酮二丁酯溶液为过氧化环己酮溶解到二丁酯中，过氧化环己酮的质量分数为50％，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯；所述的过氧化二苯甲酰二丁酯溶液为过氧化二苯甲酰溶解到二丁酯中，过氧化二苯甲酰的质量分数为50％，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二①中所述的脱模剂为硬脂酸锌；所述的无机填料为碳酸钙；所述的增稠剂为氧化镁。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二②中所述的搅拌速度为1000r/min～1500r/min；步骤二③所述的聚乙烯薄膜的厚度为100微米～5000微米。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤二③所述的树脂糊与玻璃纤维的质量比为(5～30):(5～30)；步骤二③所述的聚乙烯薄膜表面上的树脂糊的厚度为1mm～2mm；步骤二③所述的熟化温度为35℃～45℃，熟化时间为24h～72h。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一：一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、制备石墨烯/苯乙烯分散液：
①、将石墨烯、分散剂和添加剂混合搅拌，得到预混后的溶液；
步骤一①中所述的石墨烯、分散液和添加剂的质量比为5:94.5:0.5；
步骤一①中所述的分散剂为苯乙烯；
步骤一①中所述的添加剂为F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物)；
步骤一①中所述的石墨烯的片层厚度0.4nm～100nm nm，D50≤2.5，D90≤4；
步骤一①中所述的混合搅拌的速度为100r/min，混合搅拌的时间为2h；
②、在超声功率为200W和压力为1000bar的条件下，将预混后的溶液在限域管道直径为0.5cm的管道中混合0.5h，得到石墨烯/苯乙烯分散液；
二、制备石墨烯增强SMC复合材料：
①、按重量份数称取90份不饱和聚酯树脂、3份石墨烯/苯乙烯分散液、18份固化剂、4份脱模剂、220份无机填料和5份增稠剂；
步骤二①中所述的不饱和聚酯树脂为间苯型不饱和聚酯；
步骤二①中所述的固化剂为过氧化环己酮溶解到二丁酯中，过氧化环己酮的质量分数为50％，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯；
步骤二①中所述的脱模剂为硬脂酸锌；所述的无机填料为碳酸钙；所述的增稠剂为氧化镁；
②、首先将90份不饱和聚酯树脂和3份石墨烯/苯乙烯分散液加入高速剪切混合机中混合搅拌10min，然后加入18份固化剂和4份脱模剂继续搅拌20min，再加入220份无机填料继续搅拌10min，最后加入5份增稠剂搅拌至体系温度至40℃，得到树脂糊；
步骤二②中所述的搅拌速度为1000r/min；
③、首先将玻璃纤维均匀分散在两层聚乙烯薄膜之间，然后将树脂糊涂抹在聚乙烯薄膜表面上，再利用压力辊使树脂糊与玻璃纤维充分浸透，随后经过收卷机成卷，得到片状模塑料；将片状模塑料移入到烘房进行熟化加工，得到石墨烯增强SMC复合材料；
步骤二③所述的聚乙烯薄膜的厚度为1500微米；
步骤二③所述的树脂糊与玻璃纤维的质量比为30:10；
步骤二③所述的聚乙烯薄膜表面上的树脂糊的厚度为1mm；
步骤二③所述的熟化温度为30℃，熟化时间为48h。
图1为实施例一步骤一②中预混后的溶液在限域管道中混合时使用的装置结构示意图。
从图1可知，预混后的溶液在限域管道中混合。
图2为实施例一步骤一②制备的石墨烯/苯乙烯分散液的照片图；
从图2可知，实施例一步骤一②制备的石墨烯/苯乙烯分散液分散较为均匀，粘度在500～1000Pa·s。
图3为实施例一步骤二②得到的树脂糊的照片图；
从图3可知，加入石墨烯/苯乙烯分散液后不饱和聚酯树脂呈灰黑色，颜色均匀，说明石墨烯在树脂糊中分散均匀。
图4为实施例一步骤二④得到的石墨烯增强SMC复合材料由收卷机成卷的照片图；
从图4可知，使用压力辊滚压后，玻璃纤维和树脂糊在两层聚乙烯薄膜之间充分浸透，形成片材，颜色呈黑色，最后经过收卷机成卷进行熟化。
对比实施例一：SMC复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：
①、按重量份数称取90份不饱和聚酯树脂、18份固化剂、4份脱模剂、220份无机填料和5份增稠剂；
步骤①中所述的不饱和聚酯树脂为间苯型不饱和聚酯；
步骤①中所述的固化剂为过氧化环己酮溶解到二丁酯中，过氧化环己酮的质量分数为50％，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯；
步骤①中所述的脱模剂为硬脂酸锌；所述的无机填料为碳酸钙；所述的增稠剂为氧化镁；
②、首先将90份不饱和聚酯树脂加入高速剪切混合机中混合搅拌10min，然后加入18份固化剂和4份脱模剂继续搅拌20min，再加入220份无机填料继续搅拌10min，最后加入5份增稠剂搅拌至体系温度至40℃，得到树脂糊；
步骤②中所述的搅拌速度为1000r/min；
③、首先将玻璃纤维均匀分散在两层聚乙烯薄膜之间，然后将树脂糊涂抹在聚乙烯薄膜表面上，再利用压力辊使树脂糊与玻璃纤维充分浸透，随后经过收卷机成卷，得到片状模塑料；将片状模塑料移入到烘房进行熟化加工，得到SMC复合材料；
步骤③所述的聚乙烯薄膜的厚度为1500微米；
步骤③所述的树脂糊与玻璃纤维的质量比为30:10；
步骤③所述的聚乙烯薄膜表面上的树脂糊的厚度为1mm；
步骤③所述的熟化温度为30℃，熟化时间为48h。
将实施例一制备的石墨烯增强SMC复合材料和对比实施例一制备的SMC复合材料的力学性能列于表1；
表1
Figure BDA0002876377770000061
Figure BDA0002876377770000071
从表1可知，实施例一制备的石墨烯增强SMC复合材料的机械强度高、拉伸强度高、耐冲击强度高、弯曲强度高，弯曲强度较未添加石墨烯的样品提高了63％，冲击强度较未添加石墨烯的样品提高了94％。

Claims (9)

1.一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法是按以下步骤制备的：
一、制备石墨烯浆料：
①、将石墨烯、分散剂和添加剂混合搅拌，得到预混后的溶液；
步骤一①中所述的分散剂和添加剂的质量比为(80~95): (0.1~1)；
步骤一①中所述的预混后的溶液中石墨烯的质量分数为0.5~5%；
②、在超声功率为200W~1500W和压力为10bar~1000bar的条件下，将预混后的溶液在限域管道直径为0.5cm~5cm的管道中混合0.5h~12h，得到石墨烯质量分数为0.5~5%的石墨烯浆料；
二、制备石墨烯增强SMC复合材料：
①、按重量份数称取60份~120份不饱和聚酯树脂、3份~6份石墨烯浆料、16份~22份固化剂、2份~6份脱模剂、180份~280份无机填料和1份~5份增稠剂；
②、首先将60份~120份不饱和聚酯树脂和3份~6份石墨烯浆料加入高速剪切混合机中混合搅拌10min~20min，然后加入16份~22份固化剂和2份~6份脱模剂继续搅拌5min~10min，再加入180份~280份无机填料继续搅拌10min~15min，最后加入1份~5份增稠剂搅拌至体系温度至40℃，得到树脂糊；
③、首先将玻璃纤维均匀分散在两层聚乙烯薄膜之间，然后将树脂糊涂抹在聚乙烯薄膜表面上，再利用压力辊使树脂糊与玻璃纤维充分浸透，随后经过收卷机成卷，得到片状模塑料；将片状模塑料移入到烘房进行熟化加工，得到石墨烯增强SMC复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的添加剂为N-辛基-2-吡咯烷酮、N-癸基-2-吡咯烷酮、P123、F127或PVP；步骤一①中所述的石墨烯的片层厚度0.4nm~100nm，D50≤2.5，D90≤4。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的分散剂为苯乙烯、乙二醇、新戊二醇、丁酸丁酯、松油醇、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、乙二酸二乙酯、柠檬酸三丁酯和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种的混合液。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的混合搅拌的速度为100r/min~500r/min，混合搅拌的时间为1h~2h。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤二①中所述的不饱和聚酯树脂为乙烯基树脂、邻苯型不饱和聚酯和间苯型不饱和聚酯中的一种或其中几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤二①中所述的固化剂为过氧化环己酮二丁酯溶液或过氧化二苯甲酰二丁酯溶液；所述的过氧化环己酮二丁酯溶液为过氧化环己酮溶解到二丁酯中，过氧化环己酮的质量分数为50%，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯；所述的过氧化二苯甲酰二丁酯溶液为过氧化二苯甲酰溶解到二丁酯中，过氧化二苯甲酰的质量分数为50%，所述的二丁酯为邻苯二甲酸二丁酯。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤二①中所述的脱模剂为硬脂酸锌；所述的无机填料为碳酸钙；所述的增稠剂为氧化镁。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤二②中所述的搅拌的速度为1000r/min~1500r/min；步骤二③所述的聚乙烯薄膜的厚度为100微米~5000微米。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强SMC复合材料的制备方法，其特征在于步骤二③所述的树脂糊与玻璃纤维的质量比为(5~30):(5~30)；步骤二③所述的聚乙烯薄膜表面上的树脂糊的厚度为1mm~2mm；步骤二③所述的熟化的温度为35℃~45℃，熟化的时间为24h~72h。
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