CN115246964A - 一种利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法。本发明首先提供了利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法，包括：将石墨烯纳米片、聚烯烃粉末和N‑甲基吡咯烷酮在机械剪切力的作用下进行剪切混合，干燥，除去N‑甲基吡咯烷酮，得到聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。本发明进一步提供了上述方法制备得到的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。本发明利用机械剪切力通过剪切混合的方法制备了聚烯烃/石墨烯纳米复合材料，促进石墨烯纳米片在聚烯烃基体中的均匀分散，有效地提高聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的导电性能、机械性能和热稳定性，且生产高效环保，利于实现大规模化工业化制备。
Description
技术领域
本发明涉及高分子先进材料制备技术领域。更具体地，涉及一种利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法。
背景技术
关于聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的制备多集中于溶液混合、原位聚合和熔融混合等方法。前两者存在制备过程复杂，对设备要求苛刻等问题，大量使用有机溶剂(甲苯和二甲苯)带来的环境保护和制造成本等方面的压力也进一步限制了它们的大规模化应用。传统熔融混合的制备方法则无法实现石墨烯纳米填料在聚烯烃基体的均匀分散。
为了实现石墨烯纳米填料在聚烯烃基体中的均匀分散，并避免团聚，现有公开技术多集中于采用化学法处理，即利用石墨烯的衍生物氧化石墨烯表面的官能团进行功能化改性，例如接枝异氰酸酯、硅烷偶联剂和聚合物链等，可有效促进石墨烯纳米填料在聚烯烃基体中的分散。但化学改性过程复杂，对生产设备的要求较高，不利于工业化大规模生产，而且氧化还原过程中，会对石墨烯的导电性能和机械性能造成不同程度的下降。
因此，需要提供一种新的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法，该方法有效增强了聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的抗静电性能、抗冲击性能、刚性和耐热性能。
本发明的第二个目的在于提供上述方法得到的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片、聚烯烃粉末和N-甲基吡咯烷酮在机械剪切力的作用下进行剪切混合，得到剪切混合处理后的产物；
将剪切混合处理后的产物进行干燥，除去N-甲基吡咯烷酮，得到聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。
进一步，所述剪切混合是在温度90℃-120℃，扭矩15-20N·m的条件下剪切混合0.5-3h；优选的，所述剪切混合是在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h。本发明在制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料过程中显示随着剪切混合时间的延长，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率呈现出下降的趋势，说明增加剪切时间可以使样品混合的更为均匀。并发现当剪切时间大于1h后，复合材料的表面电阻率和体积电阻率变化范围较小，说明处理1h即可实现石墨烯纳米片在聚丙烯基体中的均匀分散，因此，本发明最优的剪切混合条件为在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h。
进一步，所述聚烯烃粉末为聚丙烯粉末、聚乙烯粉末、聚苯乙烯粉末和/或聚氯乙烯粉末等热塑性高分子材料。在本发明具体实施例中仅通过机械剪切力实现了石墨烯纳米片在聚丙烯基体中的分散，由于制备过程中未发生化学反应，因此，通过类比可以将基体由聚丙烯换为其他的热塑高分子，例如聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。
进一步，所述石墨烯纳米片占石墨烯纳米片和聚烯烃粉末的总质量的0.5％-3.5％。
进一步，所述N-甲基吡咯烷酮占石墨烯纳米片和聚烯烃粉末的总质量的5-15％；优选的为10％。
进一步，所述干燥为40-70℃干燥8-16h；优选的，所述干燥为50℃干燥12h。
本发明在制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料过程中机械剪切力促进了石墨烯纳米片在聚烯烃基体中的分散，并进一步防止了分散过程中的填料石墨烯的再次团聚，少量溶剂N-甲基吡咯烷酮则起到了润滑剂的作用，使石墨烯纳米片和聚烯烃基体受到更温和与更均匀的剪切力，这些都促使石墨烯与高分子基体之间的界面结合力变强，提高了聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的导电性能、机械性能(即冲击强度和刚性)和热稳定性。
上述制备方法制备得到的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料也在本发明的保护范围之内。
进一步，所述聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的通式为PP/Gx，x代表石墨烯纳米片在聚烯烃/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，x为0.5％-3.5％。
本发明得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料微观结构表明在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料体系中，石墨烯纳米片具备良好的分散性。一方面，石墨烯纳米片的分散性显著提高了聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的抗静电性能、机械性能(包括冲击强度和刚性，刚性用屈服强度和杨氏模量表征)。石墨烯纳米片的添加量为1wt％时，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率为2.4×107Ω/sq，即可满足实际商用抗静电材料小于3×108Ω/sq的标准，获得较低的导电渗滤阈值，冲击强度相对于纯聚丙烯提高120.8％，屈服强度和杨氏模量分别提高了19.2％和27.7％。另一方面，少量石墨烯纳米片的添加即可大大提高聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的热稳定性，石墨烯纳米片的添加量为1wt％时，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的HDT提高11.7℃。因此，本发明对于促进聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的高性能应用具有积极意义。
本发明的有益效果如下：
本发明利用机械剪切力通过剪切混合的方法制备了聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，促进石墨烯纳米片在聚烯烃基体中的均匀分散，保持了石墨烯纳米片的原有的共轭结构，使得石墨烯纳米片在没有改变结晶度的前提下诱导聚丙烯形成了具有更高冲击强度的β晶型，可更有效地提高复合材料的导电性能、机械性能(冲击强度和刚性)和热稳定性，获得较低的导电渗滤阈值，而且生产高效环保，减轻了后处理和成本带来的压力，有利于实现大规模化工业化制备。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为纯聚丙烯(PP)、纯石墨烯纳米片(GNP)和实施例制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的宏观形貌图和微观形貌图；其中，a)、b)分别为纯PP和纯GNP的微观形貌图，c)为实施例2得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料PP/G1.0％的宏观形貌图，d)、e)、f)分别为实施例1、2、5得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料PP/G0.5％、PP/G1.0％、PP/G3.5％的微观形貌图。
图2中a)、b)分别为实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率。
图3中a)、b)分别为实施例7-11制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率。
图4为实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的抗冲击强度。
图5为实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的屈服强度和杨氏模量。
图6为实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的热变形温度。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的0.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，使石墨烯纳米片在机械剪切力的作用下实现均匀分散，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx，x代表GNP聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G0.5％。
实施例2一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的1％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，使石墨烯纳米片在机械剪切力的作用下实现均匀分散，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量。因此，即本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G1.0％。
实施例3一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的1.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，使石墨烯纳米片在机械剪切力的作用下实现均匀分散，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G1.5％。
实施例4一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，使石墨烯纳米片在机械剪切力的作用下实现均匀分散，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％。
实施例5一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的3.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，使石墨烯纳米片在机械剪切力的作用下实现均匀分散，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G3.5％。
实施例6一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，未经过剪切混合处理，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-0。
实施例7一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合10min，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-10min。
实施例8一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合30min，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-30min。
实施例9一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合的时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-1h。
实施例10一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合2h，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合的时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-2h。
实施例11一种聚丙烯/石墨烯纳米复合材料
一种利用机械剪切力制备聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片(GNP)、聚丙烯(PP)粉末和N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入转矩流变仪中(其中，GNP的添加量为GNP与PP总质量的2.5％，NMP的添加量为GNP与PP总质量的10％)，在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合3h，剪切混合处理后的产物在真空干燥箱中于50℃干燥12h，除去NMP，得到聚丙烯/石墨烯纳米复合材料，通式为PP/Gx-&，x代表GNP在聚丙烯/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，即GNP的添加量，&代表剪切混合的时间。因此，本实施例得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料为PP/G2.5％-3h。
试验例实施例1-5和实施例6-11得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的性能测定
利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察了实施例1-5得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料以及纯PP(即原料PP)、纯GNP(即原料GNP)宏观形貌和微观形貌图，结果如图1所示，a)、b)分别给出了纯PP和纯GNP的微观形貌，c)给出了实施例2得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料PP/G1.0％的宏观形貌，d)、e)、f)分别为实施例1、2、5得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料PP/G0.5％、PP/G1.0％、PP/G3.5％的微观形貌，显示本发明得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料在宏观和微观尺度上均实现GNP在PP基体中的均匀分散，并且二者之间结合紧密，说明在制备本发明聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的过程中剪切混合过程提供的机械剪切力有效促进了GNP的分散性并使其和PP之间的结合更为紧密。
在室温条件下使用ACL Model 800高阻仪测量了实施例1-5得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率，样品尺寸为100×100×2mm3，结果如图2中a)和b)所示，显示随着GNP的添加量的增加，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率呈现出下降的趋势，说明填料GNP可以改善PP基体的绝缘性。其中，GNP的添加量为0.5wt％时，表面电阻率为5.37×1011Ω/sq和体积电阻率为7.35×1011Ω·cm，GNP的添加量增加至1.0％时，表面电阻率突变为2.40×107Ω/sq和体积电阻率为6.37×105Ω·cm(或复合材料的表面电阻率和体积电阻率分别为2.40×107Ω/sq和6.37×105Ω·cm，存在明显的突变)说明渗滤阈值即为1.0wt％，且此添加量即可满足抗静电材料实际应用中表面电阻率小于3×108Ω/sq的要求。研究人员公认的分散效果较好的制备方法例如原位聚合法和溶液混合法得到的渗滤阈值约为1.0wt％，此方法得到的渗滤阈值可以和通过上述两种方法的数值相媲美。并且此方法避免了大量使用溶剂带来的成本、后处理和环境污染等问题，具备较为广阔的工业化应用前景。同时测量了实施例6-11得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率，实施例6的表面电阻率和体积电阻率的数值均大于1012，说明该实施例得到的聚丙烯/石墨烯复合材料因分散性较差导致其导电性能差，实施例7-11的表面电阻率和体积电阻率结果如图3中a)和b)所示，显示随着剪切混合时间的延长，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的表面电阻率和体积电阻率呈现出下降的趋势，说明增加剪切时间可以使样品混合的更为均匀。并发现当剪切时间大于1h后，复合材料的表面电阻率和体积电阻率变化范围较小，说明处理1h即可实现石墨烯纳米片在聚丙烯基体中的均匀分散。
利用XJ-300A材料冲击试验机测试了实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的抗冲击性能，结果如图4所示，显示聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的冲击强度随着GNP的添加量的增加而增加，当GNP的添加量为1wt％时，冲击强度达到了最大值10.6KJ/m2，与纯PP(4.8KJ/m2)相比增加了120.8％，这表明GNP具有显著的增韧能力。利用Instron5966万能力学试验机测试了实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的拉伸力学性能，结果如图5所示，显示聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的屈服强度和杨氏模量随GNP的添加量的增加而增加，当GNP的添加量为0.5wt％时，屈服强度和杨氏模量为37.3MPa和1184.3MPa，相对于纯PP(32.8MPa，945.3MPa)，二者可分别提高13.7％和25.3％，这说明添加少量的石墨烯纳米片即可有效地增强聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的刚性。当GNP的添加量为3.5wt％时，杨氏模量和屈服强度达到了最大值，此时相对纯PP分别提高了29.9％和76.7％，可显著提高聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的刚性。以上说明本发明制备方法可明显提升聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的机械性能。
热变形温度(HDT)是衡量材料实际耐热性性能的常用指标之一，代表着材料在正常力学行为下可以承受的最大温度。利用HDV/V-3116热变形维卡软化点温度仪测定了实施例1-5制备得到的聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的热变形温度，结果如图6所示，显示聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的HDT随GNP的添加量的增加而增加，这说明与纯PP相比，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料可以在更高的温度下维持正常形态和保持其刚性。对于GNP的添加量低至0.5％时，聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的HDT为95.9℃，相对于纯PP(84.2℃)提高了11.7℃，说明GNP的添加量较小时即可较大程度的扩大聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的使用温度范围，具有一定的实用价值。当GNP的添加量为3.5wt％时，HDT最多可提高31.1℃，可显著提高聚丙烯/石墨烯纳米复合材料的最高使用温度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种利用机械剪切力制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将石墨烯纳米片、聚烯烃粉末和N-甲基吡咯烷酮在机械剪切力的作用下进行剪切混合，得到剪切混合处理后的产物；
将剪切混合处理后的产物进行干燥，除去N-甲基吡咯烷酮，得到聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述剪切混合是在温度90℃-120℃，扭矩15-20N·m的条件下剪切混合0.5-3h；优选的，所述剪切混合是在温度90℃，扭矩15N·m的条件下剪切混合1h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚烯烃粉末为聚丙烯粉末、聚乙烯粉末、聚苯乙烯粉末和/或聚氯乙烯粉末。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯纳米片占石墨烯纳米片和聚烯烃粉末的总质量的0.5％-3.5％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N-甲基吡咯烷酮占石墨烯纳米片和聚烯烃粉末的总质量的5-15％；优选的为10％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥为40-70℃干燥8-16h；优选的，所述干燥为50℃干燥12h。
7.权利要求1-6任一所述的方法制备得到的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。
8.根据权利要求7所述的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料，其特征在于，所述聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的通式为PP/Gx，x代表石墨烯纳米片在聚烯烃/石墨烯纳米复合材料中的质量百分比，x为0.5％-3.5％。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2428531A1 (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-14 | Ineos Norge Holdings AS | Polyvinyl chloride nanocomposite and method of making the same |
| CN105452359A (zh) * | 2013-03-15 | 2016-03-30 | 瑞来斯实业公司 | 聚合物-石墨烯纳米复合材料 |
| WO2018189670A1 (en) * | 2017-04-11 | 2018-10-18 | Reliance Industries Limited | Process for preparing polymer-graphene composites |
| WO2020008372A1 (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-09 | University Of Notre Dame Du Lac | Polymer/exfoliated nano-composite films with superior mechanical properties |
| US20210082598A1 (en) * | 2019-09-12 | 2021-03-18 | Braskem Research Center | Conductive High Strength Extrudable Ultra High Molecular Weight Polymer Graphene Oxide Composite |
-
2021
- 2021-04-28 CN CN202110464675.1A patent/CN115246964A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2428531A1 (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-14 | Ineos Norge Holdings AS | Polyvinyl chloride nanocomposite and method of making the same |
| CN105452359A (zh) * | 2013-03-15 | 2016-03-30 | 瑞来斯实业公司 | 聚合物-石墨烯纳米复合材料 |
| WO2018189670A1 (en) * | 2017-04-11 | 2018-10-18 | Reliance Industries Limited | Process for preparing polymer-graphene composites |
| WO2020008372A1 (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-09 | University Of Notre Dame Du Lac | Polymer/exfoliated nano-composite films with superior mechanical properties |
| US20210082598A1 (en) * | 2019-09-12 | 2021-03-18 | Braskem Research Center | Conductive High Strength Extrudable Ultra High Molecular Weight Polymer Graphene Oxide Composite |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 吕朋荣 等: ""剪切对聚丙烯／石墨烯微片纳米复合材料形态和性能的影响"", 《中国塑料》, vol. 30, no. 6, 30 June 2016 (2016-06-30), pages 45 - 51 * |
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