CN113372648A - 一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯、活化石墨烯和加工助剂，所述活化石墨烯分散在所述聚丙烯中。本发明提供的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，石墨烯以微米级甚至是纳米级的形式均匀的分散在聚丙烯材料中而不团聚，从而实现添加少量的石墨烯，就能够达到表面电阻率的要求，从而在很少的添加量下就能够产生较好的导电效果。由于石墨烯材料的添加量较少，分散较均匀，因此所制得聚丙烯与石墨烯导电复合材料的综合性能优良，由于石墨烯添加量较少，有效降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料。
背景技术
聚丙烯是聚丙烯材料，由于其密度小、耐冲击强度高，易于成型，化学性能稳定，电绝缘性优异优异，无毒性等诸多优点而被广泛的应用在汽车内外饰部件、电子电器、食品等相关的部件上。但是由于其耐寒性、耐老化性、耐刮擦性差、VOC含量偏高、易燃烧等缺点，而使其应用范围受限。为了进一步扩大其应用范围，需要对其进行改性处理。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。
石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这使得石墨烯具有局域超强导电性以及很高的载流子迁移率。
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。
石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性、润滑性以及吸附小分子物质的能力。
因此石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
发明内容
本发明提供一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，以解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯、活化石墨烯和加工助剂，活化石墨烯分散在聚丙烯中。
进一步的，以聚丙烯与石墨烯导电复合材料的总重量为基准，活化石墨含量为0.3-0.5％。
进一步的，所述活化石墨烯以微米级均匀分散在所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料中。
进一步的，所述活化石墨烯以纳米级均匀分散在所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料中。
进一步的，所述加工助剂包括流动改性剂、抗氧剂、润滑剂中的一种或多种。
进一步的，所述流动改性剂是环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯。
进一步的，所述抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和有机硫类抗氧化剂的复配物。
进一步的，所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将石墨烯与表面活性剂按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；所述表面活性剂为表面活性剂 TRITONCF-10；
步骤二，将所述活化石墨烯与聚丙烯和加工助剂按质量比一起加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；
步骤三，将混合物A投入至挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯组合物。
进一步的，所述挤出机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度：180-220℃、混合区温度：190-230℃、熔体温度：190-230℃，双螺杆转速为200-450r/min，停留时间1-5min。
上述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将石墨烯与表面活性剂按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；所述表面活性剂为表面活性剂 TRITONCF-10；
步骤二，将所述活化石墨烯与聚丙烯和加工助剂按质量比一起加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；
步骤三，将混合物A投入至挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯组合物。
所述挤出机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度： 180-230℃、混合区温度：190-230℃、熔体温度：190-230℃，双螺杆转速为 200-450r/min，停留时间1-5min。
本发明公开了一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯、活化石墨烯和加工助剂，活化石墨烯分散在聚丙烯中。本发明提供的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，石墨烯以微米级甚至是纳米级的形式均匀的分散在聚丙烯材料中而不团聚，从而实现添加少量的石墨烯，就能够达到表面电阻率的要求，从而在很少的添加量下就能够产生较好的导电效果。由于石墨烯材料的添加量较少，分散较均匀，因此所制得复合材料的综合性能优良，由于石墨烯添加量较少，有效降低生产成本。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯98.5wt％；活化石墨烯0.5wt％；加工助剂1wt％(加工助剂包括流动改性剂环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯0.5wt％，熔程135-190℃，美国Cyclics 公司，CBT-100；，受阻酚类抗氧剂Irganox10100.5wt％)。
将石墨烯与表面活性剂TRITONCF-10按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；然后将聚丙烯98.5wt％；活化石墨烯0.5wt％；加工助剂1wt％加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；将混合物A投入至双螺杆挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯与石墨烯导电复合材料。双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度： 180℃、混合区温度：190℃、熔体温度：200℃，双螺杆转速为350r/min，停留时间5min。
经过测试，本实施例1制备的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，密度 0.9g/cm3；拉伸强度26Mpa；断裂伸长率500％；弯曲强度30Mpa；弯曲模量1300MPa；悬臂梁缺口冲击强度20KJ/m2；表面电阻率103ohms/sq。
测试方法如下：
比重：按照标准ASTM D792进行测试；
拉伸强度和断裂伸长率：按照标准ASTM D638进行测试；
缺口冲击强度：按照标准ASTM D256进行测试；
弯曲强度和弯曲模量：按照标准ASTM D790进行测试；
表面电阻率：按照标准ASTM D257进行。
实施例2
本实施例提供一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯98.1wt％；活化石墨烯0.4wt％；加工助剂1.5wt％(加工助剂包括0.75wt％的流动改性剂和0.75wt％的抗氧剂，流动改性剂是环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯熔程135-190℃，美国Cyclics公司，CBT-100；抗氧剂包括阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和有机硫类抗氧化剂的复配物，三者分别为1076、 168、412S，三者比例为1∶3∶1)。
将石墨烯与表面活性剂TRITONCF-10按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；然后将聚丙烯；活化石墨烯；加工助剂按比例加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；将混合物A 投入至双螺杆挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯与石墨烯导电复合材料。双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度：185℃、混合区温度： 185℃、熔体温度：190℃，双螺杆转速为350r/min，停留时间5min。
经过测试，本实施例2制备的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，密度 0.9g/cm3；拉伸强度25Mpa；断裂伸长率480％；弯曲强度29Mpa；弯曲模量1280MPa；悬臂梁缺口冲击强度18KJ/m2；表面电阻率104ohms/sq。
实施例3
本实施例提供一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，包括聚丙烯98.2wt％；活化石墨烯0.3wt％；加工助剂1.5wt％(加工助剂包括0.75wt％的流动改性剂和0.75wt％的抗氧剂，流动改性剂是环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯熔程135-190℃，美国Cyclics公司，CBT-100；抗氧剂包括阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和有机硫类抗氧化剂的复配物，三者分别为1076、 168、412S，三者比例为1∶3∶1)。
将石墨烯与表面活性剂TRITONCF-10按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；然后将聚丙烯；活化石墨烯；加工助剂按比例加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；将混合物A 投入至双螺杆挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯与石墨烯导电复合材料。双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度：185℃、混合区温度： 185℃、熔体温度：190℃，双螺杆转速为350r/min，停留时间5min。
经过测试，本实施例2制备的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，密度 0.9g/cm3；拉伸强度24Mpa；断裂伸长率450％；弯曲强度28Mpa；弯曲模量1250MPa；悬臂梁缺口冲击强度18KJ/m2；表面电阻率105ohms/sq。
对比例1
一种不含石墨烯复合材料，包括聚丙烯98wt％，加工助剂2wt％(加工助剂包括1wt％的流动改性剂和1wt％的抗氧剂，流动改性剂是环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯熔程135-190℃，美国Cyclics公司，CBT-100；抗氧剂包括阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和有机硫类抗氧化剂的复配物，三者分别为1076、168、412S，三者比例为1∶3∶1)。。该不含石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将聚丙烯和加工助剂按比例一起加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；
步骤二，将混合物A投入至挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到不含石墨烯的复合材料。
上述挤出机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度： 180℃、混合区温度：190℃、熔体温度：200℃，双螺杆转速为350r/min，停留时间5min。
对比例1制备的不含石墨烯的聚丙烯复合材料，经过测试，密度 0.9g/cm3；拉伸强度23Mpa；断裂伸长率350％；弯曲强度25Mpa；弯曲模量1200MPa；悬臂梁缺口冲击强度5KJ/m2；表面电阻率1015ohms/sq。
与对比例1相比，实施例1、2和3中，仅添加少量活化石墨烯，提高了复合材料的综合性能，在保证流动性的同时，明显提高材料的冲击强度，同时达到了导电性能的要求，有利于材料的成型，并保证制品表面外观优良。
本发明将活化后的石墨烯与聚丙烯的熔融混合，将活化后的石墨烯与聚丙烯以及各种助剂按比例在高速搅拌机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，使石墨烯以微米级甚至是纳米级的形式均匀的分散在聚丙烯材料中，并且不发生团聚，实现添加少量的石墨烯，就能够达到表面电阻率的要求。由于石墨烯添加量较少，有效降低生产成本。
本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，包括聚丙烯、活化石墨烯和加工助剂，所述活化石墨烯分散在所述聚丙烯中。
2.如权利要求1所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，以聚丙烯与石墨烯导电复合材料的总重量为基准，活化石墨含量为0.3-0.5％。
3.如权利要求1所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述活化石墨烯以微米级均匀分散在所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料中。
4.如权利要求1所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述活化石墨烯以纳米级均匀分散在所述聚丙烯与石墨烯导电复合材料中。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述加工助剂包括流动改性剂、抗氧剂、润滑剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述流动改性剂是环寡聚对苯二甲酸丁二醇酯。
7.根据权利要求1所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和有机硫类抗氧化剂的复配物。
8.权利要求1～7任一项所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将石墨烯与表面活性剂按照一定的比例混合均匀，对石墨烯进行表面的活化处理，得到活化石墨烯；所述表面活性剂为表面活性剂TRITONCF-10；
步骤二，将所述活化石墨烯与聚丙烯和加工助剂按质量比一起加入到高速搅拌机中搅拌混合，得到混合物A；
步骤三，将混合物A投入至挤出机中加工成熔体；通过模头造粒得到聚丙烯组合物。
9.权利要求8所述的聚丙烯与石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述挤出机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为：塑化区温度：180-230℃、混合区温度：190-230℃、熔体温度：190-230℃，双螺杆转速为200-450r/min，停留时间1-5min。
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