CN112961420B - 一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，所述复合材料由以下重量份数的各组分制备而成：混合高密度聚乙烯40‑60份，石墨烯0.5份，无碱玻璃纤维20‑40份，耐磨剂3‑10份，滑石粉5‑20份，胶黏剂3‑5份，接枝剂2‑5份，抗氧剂0.1‑0.5份，抗紫外剂0.1‑0.5份，硅烷偶联剂0.1‑0.5份；合计100份。本发明还提供其制备方法。对本发明制备得到的高密度聚乙烯复合材料进行性能检测，满足制作托辊制品的基本要求。

Description

一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子加工技术领域，具体涉及一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
带式输送机又称胶带输送机，被广泛应用于家电、电子、煤矿、建材等领域。托辊是带式输送机的重要组成部分之一，它由托辊管体、轴承座以及内外密封件组成，在输送过程中可以起到支撑作用，提高货物输送量，缓解物品对于输送带的冲击以及防止输送带跑偏。托辊的成本可以占输送机总价的四分之一左右，其维修和更换费用也是带式输送机费用的重要部分，因此托辊的性能质量会直接影响到输送机的成本以及使用寿命。
在目前的市场中，托辊按照材质的不同可分为钢制托辊、陶瓷托辊以及塑料托辊等，它们在使用过程中均暴露了许多问题，国内外也对此进行了大量的研究和创新开发。其中，钢制托辊易受到化学腐蚀，并且耐磨性能较差，导致了钢制托辊的使用寿命短，只有8000-10000h，远远低于设计寿命，并且钢的密度较大导致了其质量重，管理和维护需花费大量的时间。与之相比，市场上的陶瓷托辊耐磨性能以及耐化学腐蚀性能优异，但陶瓷托辊的韧性差，安装过程不便并且容易损坏，这些同样会导致其使用寿命降低和运营成本增加。相比较之下，塑料托辊由于其质量轻、耐腐蚀、抗冲击、运行噪音低等显著特点，近年来已经成为托辊领域中的主流产品，但是传统塑料托辊的耐温性能、耐候性以及耐磨性均不如陶瓷托辊，并且大多是采用价格高昂且加工条件苛刻、成型困难或复杂的原料，如超高分子量聚乙烯和尼龙等。
经过查询，在本领域中的类似专利有CN103467978A<一种托辊用多元复合改性尼龙6复合材料及其制备方法>，但是经过对比，相关专利用的基体树脂都为尼龙6和超高分子量聚乙烯，而在本发明中，将高密度聚乙烯应用于托辊领域尚属首次。另外，专利号为CN1483650A的发明专利公开了一种以超高分子量聚乙烯为基料，纳米碳酸钙与偶联剂以及其它辅助助剂为改性剂，采用挤出成型制备复合材料托辊的方法。该发明利用超高分子量聚乙烯因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，但最终因价格过高并且无法量产而难以推广。专利号CN1810879A的发明专利，以不饱和聚酯树脂、玻璃纤维、尼龙纤维、石墨、碳酸钙、氢氧化铝和石英砂等为原材料，经模压成型制备复合材料托辊的方案，但材料体系本身存在耐高温性能差，固化时体积收缩率较大致使尺寸难以保障，同时又有耐磨性能差，韧性低，并且因采用模压成型导致生产效率不高的显著弊端。
发明内容
针对市面上目前已有的各类材质托辊的缺点，为解决上述问题，本发明旨在提供一种托辊用石墨烯高密度聚乙烯基复合材料的制备方法，利用石墨烯的自身特性，制备石墨烯耐磨填料，其加入高密度聚乙烯后，制品同时具备塑料托辊和陶瓷托辊的性能优点，具有高强度、高耐磨、耐化学腐蚀、使用寿命长等优点，并且加工工艺简单、制造成本低廉、环保增效，带来较高的社会经济效益。
为了实现上述目的，本发明中所采取的技术方案是：
本发明提供一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，所述复合材料由以下重量份数的各组分制备而成：
Figure BDA0002942207620000021
Figure BDA0002942207620000031
所述混合高密度聚乙烯是由高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯混合组成；作为优选，所述高熔融指数HDPE：低熔融指数HDPE的质量比＝(30-50)：(10-20)。
作为优选，所述复合材料由以下重量份数的各组分制备而成：
Figure BDA0002942207620000032
所述混合高密度聚乙烯是由高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯混合组成；作为优选，所述高熔融指数HDPE：低熔融指数HDPE的质量比＝42:14。
作为优选，所述高熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数大于15g/10min，所述低熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数小于3g/10min。
作为进一步优选，所述高熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数为18g/10min，所述低熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数为0.8g/10min。
作为优选，所述石墨烯为粉体，其BET≥220m2/g，粒径D50为≤30μm；作为进一步优选，所述石墨烯的BET为250m2/g，粒径D50为25μm。
作为优选，所述无碱玻璃纤维的直径为13微米或14微米。
作为优选，所述耐磨剂为石墨粉、聚四氟乙烯、二硫化钼中的一种或几种。
作为优选，所述滑石粉选用的粒径是1000-5000目；优选2000目。
作为优选，所述胶黏剂选用的是型号为A490；和/或
所述接枝剂选用的是马来酸酐接枝PE；和/或
所述抗氧剂选用的是抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或几种；和/或
所述抗紫外剂选用的是UV531、UV770中的一种或几种；和/或
所述硅烷偶联剂选用的是KH-550、KH-560中的一种或几种。
本发明还提供上述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1，将高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯磨粉混合，得到混合高密度聚乙烯；
S2，将石墨烯和耐磨剂进行表面处理后，加入硅烷偶联剂进行分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物；
S3，将混合高密度聚乙烯和石墨烯/耐磨剂混合物混合后进行预分散搅拌均匀；
S4，再加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂混合搅拌均匀；
S5，将步骤S4获得的混合物料与无碱玻璃纤维混合挤出造粒，得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料。
步骤S2-S4中所述的“分散均匀”或“搅拌均匀”是为了保证各个原料充分混合均匀，指在肉眼观察下，无明显的结块现象发生。
作为优选，步骤S3和步骤S4中，所述预分散搅拌采用在高速搅拌机中进行，搅拌时间为5-15min；和/或
步骤S5中，采用在双螺杆挤出机中进行挤出，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入无碱玻璃纤维。
搅拌的目的只是为了分散均匀，理论上当然是时间越长越好，但考虑到实际生产加工，在这个区间内效率最高。
作为优选，所述双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为170-200℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃，机头温度为235℃，主机转速为300-400rpm，喂料速率为30-50rpm。
托辊材料要求具有高强度、高耐磨、重量轻及使用寿命长等特点，在目前的市场上，塑料托辊已逐渐成为主流产品，其中，尼龙6托辊以及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)托辊占据了塑料托辊的大部分市场，在本发明中，首次将高密度聚乙烯(HDPE)作为主材料来制备托辊并且进行了大规模生产。与尼龙6和UHMWPE等工程塑料相比较，HDPE属于通用塑料的一种，优势明显，HDPE价格低廉、加工成型工艺简单、对设备要求低。
各组分的作用：托辊材料要求具有高强度、高耐磨、防腐蚀、重量轻以及使用寿命长等特点，所以纯HDPE虽然具有成本低廉、密度小等特点，但是在强度以及耐磨等性能方面，还远远不能满足用作托辊材料的要求，因此需要添加其他的材料进行复合改性，增加它的强度和耐磨性能。在本发明中，树脂基体选用的是高熔融指数高强度HDPE和低熔融指数低强度HDPE进行组合，选用高熔融指数HDPE是为了保证最后的托辊产品具备高力学性能高强度的性能，选用低熔融指数HDPE与前者进行复配，是因为托辊管材的加工方式是挤出成型，而挤出工艺对于粒子的熔融指数有严格的要求，不能过高，否则对导致托辊管材的厚度无法控制均匀，而在配方加入胶黏剂也同样是为了降低产品的熔融指数；另外加入了无碱玻璃纤维和硅烷偶联剂，玻璃纤维不仅能提升HDPE的力学强度，而且对于其耐磨性能也有提升效果。硅烷偶联剂能够提高树脂与无机填料间的界面结合力，增强树脂材料的力学性能。配方中的高目数滑石粉一方面可以大幅降低材料成本，另一方面对于材料的弯曲强度和耐磨性能都有显著的增强。耐磨性是托辊材料的一个关键技术指标，决定了托辊的使用寿命长短，在本发明中，选用的耐磨剂种类为石墨粉、聚四氟乙烯、二硫化钼中的一种或几种作为耐磨剂添加到配方中，优选为聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE的耐化学腐蚀性能优异，摩擦系数极低，在塑料中可以起到耐磨的作用。同时还加入了石墨烯，石墨烯在树脂材料中可以起到润滑的作用，同样起到提高耐磨性能的效果，大大减少HDPE的磨损量。
本发明的有益效果为：
用本发明中制备的石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料生产出的托辊可以用于除煤矿外的矿山、化工、码头、盐场等场景。
对本发明制备得到的高密度聚乙烯复合材料进行性能检测，得到的主要性能数据如下，满足制作托辊制品的基本要求：拉伸强度≥40MPa，断裂伸长率>6％，弯曲强度≥40MPa，弯曲模量≥2900MPa，熔融指数0.2-2.5g/10min，硬度(Shore Hardness)≥60D，相对磨损量≤350mm3。
性能对比：本发明中的复合材料具有良好的综合性能，与市场上使用的传统托辊相比有不俗的优势，有着良好的应用前景。用发明中的高性能复合材料制作的托辊与传统塑料托辊相比，成本低廉，只有超高分子量聚乙烯的三分之一甚至更低，并且强度是超高分子量聚乙烯托辊的一倍以上，加工成型工艺简单，对挤出机要求低，耐磨性能更加优异；与传统陶瓷托辊相比，制作工艺简单，韧性好不易断，重量轻，安装操作过程简单；与传统钢制托辊相比，重量轻(只有钢制托辊的七分之一甚至更低)，耐腐蚀性抗老化性能优异，经过120小时抗紫外测试,性能衰减小于20％，使用寿命长(是陶瓷托辊和钢制托辊使用寿命的3倍以上)。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的石墨烯改性高密度聚乙烯托辊制品与其他产品的性能优势对比。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
Figure BDA0002942207620000071
其中：
混合高密度聚乙烯(HDPE)是由高熔融指数(18g/10min)HDPE和低熔融指数(0.8g/10min)HDPE混合组成，两者的质量比为：高熔融指数HDPE：低熔融指数HDPE＝(30-50)：(10-20)；加工前，需对两者进行磨粉，以便与其他原料混合的更均匀。
所用石墨烯为粉体，其BET≥220m2/g，粒径D50为≤30μm。
石墨烯选择上述参数的理由是：在此参数下，石墨烯在树脂和无机填料中的分散效果最优，对于产品的耐磨性能和力学性能提升最佳。
无碱玻璃纤维是指经过表面处理后的玻璃纤维，是通过直接购买得到，其直径为13微米或14微米，优选13微米。
无碱玻璃纤维的直径选择在该范围的理由为直径的区别在于增强效果不同，这两个直径的玻璃纤维对于高分子塑料的增强效果最优，在优选条件下对于产品的价格性能和力学性能提高效果最佳。
耐磨剂选用的是石墨粉、聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼中的一种或几种，优选聚四氟乙烯；
滑石粉选用的粒径是1000-5000目，优选2000目。
滑石粉选用该粒径范围的理由为：在树脂中分散效果最佳，对于断裂伸长率影响最低，在优选条件下弯曲模量性能最佳。
胶黏剂选用的型号为A490。
接枝剂选用的是马来酸酐接枝PE。
抗氧剂选用的是抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或几种。
抗紫外剂选用的是UV531、UV770中的一种或几种，优选UV531；在优选条件下耐紫外性能最佳。
硅烷偶联剂选用的是KH-550、KH-560中的一种或几种，优选KH560。硅烷偶联剂的加入量优选0.5份。
硅烷偶联剂选用KH560时，树脂和玻璃纤维的结合性能最优。加入量选择0.5份时，树脂和玻璃纤维的结合性能最优。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作(树脂磨粉就是为了降低塑料粒子与石墨烯粉体间的宏观尺寸差异)，备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理(进行表面处理是为了和原料中的树脂分散更均匀，界面结合效果最好)，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为5-15min，使得物料搅拌均匀。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，使得物料搅拌均匀，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入3-8根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为170-200℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃、200-240℃，机头温度为235℃，主机转速为300-400rpm，喂料速率为30-50rpm。
实施例1
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯50份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯10份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)22.5份、石墨粉5份、滑石粉(2000目)5份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.5份、抗紫外剂0.1份、硅烷偶联剂0.4份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH550。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为47rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
实施例2
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯30份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯10份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)22.5份、二硫化钼10份、滑石粉(2000目)20份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.1份、抗紫外剂0.5份、硅烷偶联剂0.4份。
其中，
石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂168；
抗紫外剂为UV770；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为47rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
实施例3
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯31份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯10份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)40份、PTFE 3份、滑石粉(2000目)7.5份、胶黏剂5份、接枝剂2份、抗氧剂0.2份、抗紫外剂0.3份、硅烷偶联剂0.5份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为360rpm，喂料速率为30rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
实施例4
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯40份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯16份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)21.5份、PTFE 5份、滑石粉(1000目)8份、胶黏剂3份、接枝剂5份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.5份、硅烷偶联剂0.1份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为50rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
实施例5
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯42份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯14份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)23.5份、PTFE 5份、滑石粉(2000目)8份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.4份、硅烷偶联剂0.2份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为45rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
实施例6
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯43份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯16份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)20.5份、PTFE 5份、滑石粉(5000目)8份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.4份、硅烷偶联剂0.2份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，结果见表1。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为380rpm，喂料速率为50rpm。
本发明的复合材料可以制备成托辊筒体用于矿山带式输送机，具有耐磨效果。
对比例1：是否添加滑石粉(与实施例5对比)
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯42份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯14份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)23.5份、PTFE 5份、滑石粉0份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.4份、硅烷偶联剂0.2份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，对比结果见表2。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为45rpm。
对比结论：同样配方下，不添加滑石粉明显导致产品的弯曲性能大幅下降。
对比例2：是否添加石墨烯(与实施例5对比)
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯42份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯14份、石墨烯0份、无碱玻璃纤维(直径13微米)24份、PTFE 5份、滑石粉(2000目)8份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.4份、硅烷偶联剂0.2份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，对比结果见表2。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为45rpm。
对比结论：同样配方下，不添加石墨烯，导致了产品的耐磨性能下降了约10％，证明少量的石墨烯添加量对于产品的耐磨性能有明显的影响效果。
对比例3：树脂选用一种，为高熔融指数HDPE，与实施例5对比
在本对比例中，树脂部分全部选用高熔融指数HDPE为基体，经过测试，各项性能优异，但是最终的熔融指数为3.5g/10min，导致托辊管材挤出过程中产生塌陷，无法成型，无法用于托辊。原料组分和重量份配比为：
高熔融指数(18g/10min)高密度聚乙烯56份、低熔融指数(0.8g/10min)高密度聚乙烯0份、石墨烯0.5份、无碱玻璃纤维(直径13微米)23.5份、PTFE 5份、滑石粉(2000目)8份、胶黏剂3份、接枝剂3份、抗氧剂0.4份、抗紫外剂0.4份、硅烷偶联剂0.2份。
其中，石墨烯为粉体，其BET为250m2/g，粒径D50为25μm；
胶黏剂为A490；
接枝剂为马来酸酐接枝PE；
抗氧剂为抗氧剂1010；
抗紫外剂为UV531；
硅烷偶联剂为KH560。
本发明的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备步骤如下：
将上述配方中的树脂先进行磨粉操作备用。然后将石墨烯与耐磨剂进行表面处理，通过加入硅烷偶联剂使两者界面结合更好，然后用分散机进行分散处理，使得物料分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物。随后将树脂粉末和石墨烯/耐磨剂混合物进行准确称取，放于高速搅拌机中进行预分散搅拌，时间为15min。预分散完毕后，加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂，再高速搅拌5min，得到混合好的原料。然后经料斗加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入4根无碱玻璃纤维，调整喂料速率和主机转速，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料粒子。挤出造粒后，注塑测试力学性能，挤管成型并对托辊进行性能检测，对比结果见表2。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为200℃、200℃、200℃、205℃、210℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃，机头温度为230℃，主机转速为350rpm，喂料速率为45rpm。
对比例4
与实施例5对比，不添加胶黏剂A490，其余步骤和参数均与实施例5相同。
对比结果见表2，经过比较，不添加胶黏剂的情况下，同样的配方生产的产品熔融指数明显提高，对制备托辊影响较大。
对比例5
与实施例5对比，不添加硅烷偶联剂，其余步骤和参数均与实施例5相同。
对比结果见表2，经过比较，不添加硅烷偶联剂的情况下，同样的配方生产的产品力学性能有下降，说明硅烷偶联剂在本发明配方中有重要的影响。
对比例6
与实施例5相比，树脂基体全部选用低熔融指数HDPE，重量比为56％，其余步骤和参数均与实施例5相同。
经过测试，产品粒子的熔融指数为0.2g/10min，在托辊管材挤出过程中，由于熔融指数过低，粒子内部的气泡无法及时逸出，导致管材截面充满密集的气孔，严重影响产品使用。
表1各实施例的性能测试结果
Figure BDA0002942207620000191
表2各对比例的性能测试结果
Figure BDA0002942207620000192
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 (17)

1.一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述复合材料由以下重量份数的各组分制备而成：
混合高密度聚乙烯 40-60份
石墨烯 0.5份
无碱玻璃纤维 20-40份
耐磨剂 3-10份
滑石粉 5-20份
胶黏剂 3-5份
接枝剂 2-5份
抗氧剂 0.1-0.5份
抗紫外剂 0.1-0.5份
硅烷偶联剂 0.1-0.5份；合计100份；
所述混合高密度聚乙烯是由高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯混合组成；所述高熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数为18g/10min，所述低熔融指数高密度聚乙烯的熔融指数为0.8g/10min；所述高熔融指数HDPE：低熔融指数HDPE的质量比=（30-50）：（10-20）。
2.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述复合材料由以下重量份数的各组分制备而成：
混合高密度聚乙烯 56份
石墨烯 0.5份
无碱玻璃纤维 23.5份
耐磨剂 5份
滑石粉 8份
胶黏剂 3份
接枝剂 3份
抗氧剂 0.4份
抗紫外剂 0.4份
硅烷偶联剂 0.2份；
所述混合高密度聚乙烯是由高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯混合组成。
3.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述高熔融指数HDPE：低熔融指数HDPE的质量比=42:14。
4.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述石墨烯为粉体，其BET≥220 m2/g，粒径D50为≤30μm。
5.根据权利要求4所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述石墨烯的BET为250m2/g，粒径D50为25μm。
6.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述无碱玻璃纤维的直径为13微米或14微米。
7.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述耐磨剂为石墨粉、聚四氟乙烯、二硫化钼中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述滑石粉选用的粒径是1000-5000目。
9.根据权利要求8所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述滑石粉选用的粒径是2000目。
10.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述胶黏剂选用的型号为A490。
11.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述接枝剂选用的是马来酸酐接枝PE。
12.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂选用的是抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或几种。
13.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述抗紫外剂选用的是UV531、UV770中的一种或几种。
14.根据权利要求1所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂选用的是KH-550、KH-560中的一种或几种。
15.权利要求1-14任一项所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1，将高熔融指数高密度聚乙烯和低熔融指数高密度聚乙烯磨粉混合，得到混合高密度聚乙烯；
S2，将石墨烯和耐磨剂进行表面处理后，加入硅烷偶联剂进行分散均匀，得到石墨烯/耐磨剂混合物；
S3，将混合高密度聚乙烯和石墨烯/耐磨剂混合物混合后进行预分散搅拌均匀；
S4，再加入除无碱玻璃纤维外的剩余填料与助剂混合搅拌均匀；
S5，将步骤S4获得的混合物料与无碱玻璃纤维混合挤出造粒，得到托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料。
16.根据权利要求15所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3和步骤S4中，所述预分散搅拌采用在高速搅拌机中进行，搅拌时间为5-15min。
17.根据权利要求15所述的一种托辊用石墨烯改性高密度聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S5中，采用在双螺杆挤出机中进行挤出，在双螺杆挤出机的第四段的加纤口加入无碱玻璃纤维。
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