CN106117853A - 一种石墨烯色母粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯色母粒,其特征在于,包括如下重量百分数的组分:载体树脂20~30wt%,改性石墨烯25~30wt%,导电碳黑30~40wt%,苯胺低聚物5~10wt%,润滑剂5~15wt%,所述改性石墨烯是指表面活性剂改性的石墨烯。石墨烯表面的改性层既有亲水性又有亲油性,改性层上亲水侧含有的氧原子使得石墨烯与导电碳黑产生化学键合,亲油侧的官能团使得石墨烯与载体树脂产生化学键合,从而大大增强了石墨烯与载体树脂之间的兼容性,石墨烯能够均匀的分散于载体树脂中。

Description

一种石墨烯色母粒
技术领域
本发明涉及一种色母粒,尤其涉及一种石墨烯色母粒,属于高分子技术领域。
背景技术
石墨烯可理解为石墨和烯组合而成,因其具有石墨般完美的几何结构与烯一样的特殊性能和广泛应用。石墨烯是由sp2杂化碳原子紧密排列成的单层的二维蜂窝状结构的物质,C-C键长为0.142nm,厚度为一个碳原子厚度(0.335nm),单层的石墨烯会出现褶皱与弯曲,它是构成富勒烯(零维)、碳纳米管(一维)、石墨(三维)的基本单元,石墨与其他三维结构的物质有很大的区别,它属于半金属、零带隙半导体,理论上和碳纳米管相似,其中1/3的碳原子显金属性,另外2/3显半导体性质。石墨烯具有较高的迁移率,由于其内部的散射机制主要以缺陷散射为主,所以在一定温度范围内迁移率为一个定值,理论值为200000cm2V-1S-1,另外,石墨烯中电子的有效质量为零且核磁矩几乎为零,所以电子和空穴的迁移率是相等的,石墨烯的电阻率的理论值为10-6Ω﹒cm,是目前为止所发现的电阻率最低的材料,它也是迄今为止发现的力学性能最好的材料,杨氏模量达到1100GPa,理论上的比表面积为2628m2/g。
高分子材料具有广泛的应用,但随着科技迅速发展,对材料性质的要求亦日趋严格,传统的单一高分子材料已无法满足工业与科技业对材料同时在机械性、化学稳定性、耐候性与导电、导热性的需求,以工程塑料的尼龙为例,虽然本身具有优异的机械强度、耐磨耗与耐热性等,但是吸湿性大、耐酸性差,尤其是容易氧化,因此,其应用领域很受限。
现有技术中,为改善高分子的性能,可结合塑料高分子与其他纳米材料形成复合材料,进而减轻重量,改善加工性,或者甚至产生新的性能,藉以拓展材料应用领域,满足未来科技发展对材料性能的要求。
美国专利WO2012151433A2揭示了一种多层石墨烯与聚对苯二甲酸乙二脂的纳米复合材料,其制作方式依如下步骤进行:首先,将剥离法获得的多层石墨烯与PET载体树脂进行混合而制得母粒;利用注塑成型或吹塑成型法,将此母粒与PET树脂制作成PET与石墨烯纳米复合材料,可改善PET的机械强度,不过其缺点是,剥离法获得的多层石墨烯,其表面具有较少的官能基,因而无法与树脂形成有效的结合界面,而即使是先行制作为母粒型态,也依然无法有效提升石墨烯粉体在母体材料中的分散性与界面特性。
另一美国专利US20130214211A1主要是将导电碳材加入热塑性或热固性材料中而制作出具有导电性的母粒,因而母粒在进行后续加工过程中可消除静电,具有抗静电的效果,进而能降低制程的危险性,但是在缺少润滑剂与表面改质的条件下,不论是直接加入热塑性或热固性材料中,或者先行制作母粒,其导电碳材的均匀程度仍旧不佳,使得抗静电的功效相当有限。
因而,目前迫切需要一种石墨烯色母粒,利用石墨烯上表面改性的官能团来提高与树脂的兼容性,进而提高二者界面结合的强度,进而有效的提高高分子复合材料的机械特性。
发明内容
本发明针对现有技术中石墨烯与树脂兼容性存在的不足,提供一种石墨烯色母粒。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种石墨烯色母粒,其特征在于,包括如下重量百分数的组分:
载体树脂20~30wt%,改性石墨烯25~30wt%,导电碳黑30~40wt%,苯胺低聚物5~10wt%,润滑剂5~15wt%,所述改性石墨烯是指表面活性剂改性的石墨烯。
进一步,所述表面活性剂是指非离子表面活性剂。
进一步,所述非离子表面活性剂是指聚氧乙烯型表面活性剂。
进一步,所述聚氧乙烯型表面活性剂是指烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚。
改性石墨烯的制备方法如下:
1)以表面活性剂为表面改质剂,将表面活性剂溶于水中;
2)将石墨烯加入到表面活性剂的水溶液中,搅拌混合,并置于超声波中震荡1~3小时,形成悬浮液;
3)之后将所得悬浮液加热回流2~5小时,最后抽气过滤取出粉体并于真空干燥箱中干燥,得表面活性剂改性的石墨烯。
进一步,所述的苯胺低聚物是指苯胺三聚体、苯胺四聚体、苯胺五聚体和苯胺六聚体。
进一步,所述载体树脂为聚苯乙烯、聚丙烯或聚乙烯树脂中的一种。
进一步,所述导电碳黑的平均粒径小于1μm,比表面积大于60m2/g。
进一步,所述润滑剂包括如下重量百分数的组分:邻苯二甲酸二乙酯50~60wt%、硼酸铵1~5wt%、氨基甲酸酯5~10wt%、烷基琥珀酰亚胺1~5wt%、聚偏氟乙烯25~35wt%。
本发明的有益效果是:
1)石墨烯表面的改性层既有亲水性又有亲油性,改性层上亲水侧含有的氧原子使得石墨烯与导电碳黑产生化学键合,亲油侧的官能团使得石墨烯与载体树脂产生化学键合,从而大大增强了石墨烯与载体树脂之间的兼容性,石墨烯能够均匀的分散于载体树脂中;
2)润滑剂的存在使得本发明提供的色母粒能够直接加入到热塑性或热固性树脂当中,使得其导电性和抗静电能力大大提高;
3)本发明中使用苯胺低聚物作为分散剂使得石墨烯在载体树脂和导电碳黑中的分散效果大大提高,从而最终提高了高分子复合材料的机械特性。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1:
一种石墨烯色母粒,包括如下重量百分数的组分:聚苯乙烯树脂25wt%,改性石墨烯25wt%,粒径小于1μm、比表面积为80m2/g的导电碳黑30wt%,苯胺低聚物5wt%,润滑剂15wt%;
润滑剂由如下重量百分数的组分组成:邻苯二甲酸二乙酯60wt%、硼酸铵5wt%、氨基甲酸酯5wt%、烷基琥珀酰亚胺5wt%、聚偏氟乙烯25wt%;
改性石墨烯由如下方法制得:
1)将5g的表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)溶于1L水中,制得5g/L的APEO水溶液;
2)将2g的石墨烯加入到步骤1)制得的表面活性剂的水溶液中,搅拌混合,并置于超声波中震荡2小时,形成悬浮液;
3)之后将所得悬浮液置于120~150℃油浴中加热回流2小时,最后抽气过滤取出粉体并于真空干燥箱中于50℃下干燥,得表面活性剂改性的石墨烯。
依据上述的配方比例,将聚苯乙烯树脂、改性石墨烯、导电碳黑、苯胺低聚物、润滑剂进行混合,而后置于高速混合机中进行高速混合,于转速1000~1500r/min的条件下,混合10~20min,采用双螺杆挤出机或密炼机进行熔融共混,然后造粒干燥得色母粒。
实施例2:
一种石墨烯色母粒,包括如下重量百分数的组分:聚丙烯树脂20wt%,改性石墨烯30wt%,粒径小于1μm、比表面积为80m2/g的导电碳黑35wt%,苯胺低聚物5wt%,润滑剂10wt%;
润滑剂由如下重量百分数的组分组成:邻苯二甲酸二乙酯50wt%、硼酸铵1wt%、氨基甲酸酯10wt%、烷基琥珀酰亚胺3wt%、聚偏氟乙烯26wt%;
改性石墨烯由如下方法制得:
1)将5g的表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)溶于1L水中,制得5g/L的APEO水溶液;
2)将2g的石墨烯加入到步骤1)制得的表面活性剂的水溶液中,搅拌混合,并置于超声波中震荡2小时,形成悬浮液;
3)之后将所得悬浮液置于120~150℃油浴中加热回流2小时,最后抽气过滤取出粉体并于真空干燥箱中于50℃下干燥,得表面活性剂改性的石墨烯。
依据上述的配方比例,将聚丙烯树脂、改性石墨烯、导电碳黑、苯胺低聚物、润滑剂进行混合,而后置于高速混合机中进行高速混合,于转速1000~1500r/min的条件下,混合10~20min,采用双螺杆挤出机或密炼机进行熔融共混,然后造粒干燥得色母粒。
实施例3:
一种石墨烯色母粒,包括如下重量百分数的组分:聚乙烯树脂25wt%,改性石墨烯25wt%,粒径小于1μm、比表面积为80m2/g的导电碳黑40wt%,苯胺低聚物5wt%,润滑剂5wt%;
润滑剂由如下重量百分数的组分组成:邻苯二甲酸二乙酯53wt%、硼酸铵3wt%、氨基甲酸酯8wt%、烷基琥珀酰亚胺1wt%、聚偏氟乙烯35wt%;
改性石墨烯由如下方法制得:
1)将5g的表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)溶于1L水中,制得5g/L的APEO水溶液;
2)将2g的石墨烯加入到步骤1)制得的表面活性剂的水溶液中,搅拌混合,并置于超声波中震荡2小时,形成悬浮液;
3)之后将所得悬浮液置于120~150℃油浴中加热回流2小时,最后抽气过滤取出粉体并于真空干燥箱中于50℃下干燥,得表面活性剂改性的石墨烯。
依据上述的配方比例,将聚苯乙烯树脂、改性石墨烯、导电碳黑、苯胺低聚物、润滑剂进行混合,而后置于高速混合机中进行高速混合,于转速1000~1500r/min的条件下,混合10~20min,采用双螺杆挤出机或密炼机进行熔融共混,然后造粒干燥得色母粒。
实施例4:
一种石墨烯色母粒,包括如下重量百分数的组分:聚乙烯树脂30wt%,改性石墨烯30wt%,粒径小于1μm、比表面积为80m2/g的导电碳黑30wt%,苯胺低聚物5wt%,润滑剂5wt%;
润滑剂由如下重量百分数的组分组成:邻苯二甲酸二乙酯53wt%、硼酸铵3wt%、氨基甲酸酯8wt%、烷基琥珀酰亚胺1wt%、聚偏氟乙烯35wt%;
改性石墨烯由如下方法制得:
1)将5g的表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)溶于1L水中,制得5g/L的APEO水溶液;
2)将2g的石墨烯加入到步骤1)制得的表面活性剂的水溶液中,搅拌混合,并置于超声波中震荡2小时,形成悬浮液;
3)之后将所得悬浮液置于120~150℃油浴中加热回流2小时,最后抽气过滤取出粉体并于真空干燥箱中于50℃下干燥,得表面活性剂改性的石墨烯。
依据上述的配方比例,将聚苯乙烯树脂、改性石墨烯、导电碳黑、苯胺低聚物、润滑剂进行混合,而后置于高速混合机中进行高速混合,于转速1000~1500r/min的条件下,混合10~20min,采用双螺杆挤出机或密炼机进行熔融共混,然后造粒干燥得色母粒。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,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 (8)

1.一种石墨烯色母粒,其特征在于,包括如下重量百分数的组分:载体树脂20~30wt%,改性石墨烯25~30wt%,导电碳黑30~40wt%,苯胺低聚物5~10wt%,润滑剂5~15wt%,所述改性石墨烯是指表面活性剂改性的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述表面活性剂是指非离子表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述非离子表面活性剂是指聚氧乙烯型表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述聚氧乙烯型表面活性剂是指烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚。
5.根据权利要求1或2所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述的苯胺低聚物是指苯胺三聚体、苯胺四聚体、苯胺五聚体和苯胺六聚体。
6.根据权利要求1或2所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述载体树脂为聚苯乙烯、聚丙烯或聚乙烯树脂中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述导电碳黑的平均粒径小于1μm,比表面积大于60m2/g。
8.根据权利要求1或2所述的石墨烯色母粒,其特征在于,所述润滑剂包括如下重量百分数的组分:邻苯二甲酸二乙酯50~60wt%、硼酸铵1~5wt%、氨基甲酸酯5~10wt%、烷基琥珀酰亚胺1~5wt%、聚偏氟乙烯25~35wt%。
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