CN107739482B - 基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，包括以下原料：聚氯乙烯、酚醛树脂、阻燃母料、超高分子量聚乙烯、石墨烯、氢氧化铝、镁盐晶须、季戊四醇硬脂酸酯、硅系材料、二硬脂酸羟基铝、微晶石蜡、辉绿岩粉、苯氧基聚磷腈弹性体、纳米碳化锆、硬脂酸丁酯、丁醇、热稳定剂、抗氧剂、增容剂和填充母粒。本发明还公开了基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法。本发明制备而成的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材具有稳定性好、耐气候性、耐高温性、使用寿命长，且在高温高湿条件下具有优异力学性能，具有广大的市场推广价值。

Description

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及管材技术领域，特别涉及基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材及其制备方法。

【背景技术】

聚氯乙烯树脂是五大通用塑树脂之一，因其性能优良、价格低廉、原料来源广泛等优点而受到广泛关注并迅猛发展，聚氯乙烯的年产量及消耗量位居世界第二位，与其他高分子材料相比，因为聚氯乙烯具有电绝缘性、耐磨性、阻燃性及化学稳定性。由于聚氯乙烯树脂在加工过程中可通过添加添加剂或者其他方法生产出各式各样的塑料制品，而被广泛的应用于建筑、汽车、电缆及包装材料等领域。聚氯乙烯的产量和消耗量均快速增长，并且这种增长趋势将会持续很长一段时间。聚氯乙烯管材因其优异的性能和低廉的成本，已逐步取代了铸铁管等传统管材，大量用作建筑物排水管道和给水管道。由于聚氯乙烯分子结构的特点，使其在加工和使用过程中光氧、热氧稳定性差。聚氯乙烯排水管材，由于长期暴露于自然气候环境中，由于受到各种大气因素如光、热、氧、水汽、灰尘以及工业大气污染物的综合作用，物理性能逐渐降低。因此，逐渐出现了将聚氯乙烯与其它材料混合制备复合材料，以改善聚氯乙烯的缺点。赵云峰等(高分子通报，2010，11：69～75)将丁晴橡胶、酚醛树脂、受阻酚AO60和聚氯乙烯共混后制备阻尼材料，提高复合材料硫化胶的力学性能。缺点：采用物理改性的方法改善聚氯乙烯的性能，没有生成稳定的化学结构，力学性能在在高温条件下极不稳定。

石墨烯是一种由单层碳原子组成的平面二维结构，碳原子4个价电子中的3个以sp2杂化的形式与最近邻三个碳原子形成平面正六边形连接的蜂巢结构，另一个垂直于碳原子平面的σz轨道电子在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键。这种二元化的电子价键结构决定了石墨烯独特而丰富的性能：sp2键有高的强度和稳定性，这使其组成的平面六角晶格有极高的强度、延展性和稳定性。赵笛等(塑料工业，2015，43(5)：67～71)采用化学法制备聚氯乙烯和石墨烯纳米复合材料，以提高材料的电性能和热稳定性。缺点：反应温度高，反应程度过于激烈，容易产生物料团聚、反应不完全的问题，且上述研究均没有解决在高温高湿极端条件下聚氯乙烯材料的力学性能急剧降低的问题。因此，研究一种能够有效控制反应程度、且能够在高温高湿极端条件下保持有稳定力学性能的聚氯乙烯管材，对于拓展聚氯乙烯管材的使用范围具有深远的研究意义。

现行塑料管材的制备过程多采用混炼后挤出/注塑成型或者熔融后定型的技术手段，容易产生物料团聚、相容性差的问题。近年来还开发了等离子处理塑料材料的技术，以提高塑料中各个成分的相容性。梅长彤等(南京林业大学学报，2009，33(6)：1～5)采用氮气等离子气体处理稻秸/聚乙烯复合材料的界面，以提高复合材料的表面特性，改善物料间的界面相容性。缺点：以氮气作为等离子气体来源所处理物料的表面附着有氮化层，不利于后续的材料的加工成型。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种能够提高物料之间的相容性，且能耐高温，在高温高湿条件下具有优异力学性能的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材及其制备方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯100-180份、酚醛树脂30-80份、阻燃母料1-35份、超高分子量聚乙烯10-20份、石墨烯1-15份、氢氧化铝10-50份、镁盐晶须1-25份、季戊四醇硬脂酸酯0.1-3份、硅系材料10-50份、二硬脂酸羟基铝0.5-3份、微晶石蜡5-8份、辉绿岩粉0.05-10份、苯氧基聚磷腈弹性体10-40份、纳米碳化锆5-10份、硬脂酸丁酯5-9份、丁醇2-3份，热稳定剂0.5-5份、抗氧剂0.5-5份、增容剂1-10份和填充母粒10-30份；

所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为8-12MHz、压强为25-40Pa和氢气气体流速为30-45mL/s的条件下处理40-60s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在45-58℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在65-70℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为10-15MHz、压强为30-50Pa和氢气气体流速为30-45mL/s的条件下处理75-100s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

在本发明中，作为进一步说明，所述的阻燃母料按重量百分比计，包括以下原料：三氧化二锑15-25％、氢氧化镁0.05-15％、氢氧化铝0.05-15％、二氧化硅1-20％、玻璃纤维5-25％、聚乙烯蜡2-10％、高压聚乙烯25-50％和石墨烯3-8％。

在本发明中，作为进一步说明，所述的镁盐晶须为硼酸镁晶须、碱式硫酸镁晶须和氧化镁晶须中的任意一种或多种。

在本发明中，作为进一步说明，所述的硅系材料为二氧化硅、玻璃纤维、微孔玻璃、低熔点玻璃、二氧化硅/氯化锡、硅凝胶/碳酸钾、消石和水合硅化合物中的任意一种或多种。

在本发明中，作为进一步说明，所述的抗氧剂为抗氧剂736、抗氧剂168、抗氧剂1010、抗氧剂626、抗氧剂618、抗氧剂BHT、抗氧剂B215、抗氧剂B225和抗氧剂B561中的任意一种或多种。

在本发明中，作为进一步说明，所述的增容剂为聚氯乙烯、聚醋酸乙烯共聚物、乙丙共聚物和EVA接枝氯乙烯共聚物中的任意一种或多种。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(3)所述的冷却成型的温度为50-60℃。

部分原料的功能介绍如下：

酚醛树脂，具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热、耐腐蚀，在本发明中用作制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的主体材料，用于和聚氯乙烯树脂形成高度网状聚合物。

超高分子量聚乙烯，在本发明中用于提高管材的耐磨性和自润滑性。

氢氧化铝，在本发明中用作阻燃剂和填料。

镁盐晶须，在本发明中用作耐高温、耐磨、耐候和增韧的助剂。

季戊四醇硬脂酸酯，在本发明中用于弥补聚氯乙烯热稳定性差的缺点，提高管材的热稳定性。

硅系材料，在本发明中用于提高管材的耐高温、耐磨性，提高材料的机械强度。

二硬脂酸羟基铝和微晶石蜡，在本发明中用于增加管材的自润滑性，以便于材料的成型加工。

辉绿岩粉，在本发明中用作管材的增强剂。

苯氧基聚磷腈弹性体，在本发明中用于提高管材的韧性。

纳米碳化锆，在本发明中用于提高管材的耐高温、耐磨、耐候性、热稳定性和耐腐蚀性。

硬脂酸丁酯，在本发明中用于提高管材的耐寒性。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用两次等离子处理的技术手段制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，不仅能够显著提高聚氯乙烯的热稳定性，还能增加聚氯乙烯和其它原料的相容性，生成高度网状聚合物，进而使基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材适用于高温、高湿和高辐射的极端环境。在第一次的等离子处理中，本发明先采用将聚氯乙烯和石墨烯的混合物在丁醇溶液进行浸泡，使聚氯乙烯和石墨烯的外表面均粘附有丁醇；经挤出成型、压制成片后，采用以氢气为等离子气体来源的等离子处理片材，利用氢气等离子气体的高速轰击，其一，可以使石墨烯能够均匀分散于聚氯乙烯中，避免了团聚现象的发生；其二，聚氯乙烯和丁醇在等离子气体的不断轰击下能够不断作用和反应，在聚氯乙烯结构中引入丁醇的非极性基团，改善极性的聚氯乙烯和非极性的石墨烯之间的相容性；其三，还避免了以氮气作为等离子气体来源而导致原料表面形成氮化层的现象的发生；在第二次等离子处理中，聚氯乙烯和酚醛树脂反应生成高度网状聚合物，提高管材的耐高温性；高度网状聚合物再结合石墨烯的高比表面积和高吸附力的特点，使高度网状聚合物上能够牢固粘附有硅系材料、镁盐晶须、辉绿岩粉和纳米碳化锆等原材料，增强了各个原料之间的作用力，促使管材具有优异的力学性能；于此同时，石墨烯中二维片层结构的特点，使石墨烯能够均匀穿插于各原料中，构造以石墨烯为“砖”、各原料为“灰”的“砖-灰结构”，形成致密的物理隔绝构造层，提高了管材的耐高温性；而且该物理隔绝构造层在高温高湿的极端条件下，也能阻隔外部热能的传播，降低了外部热能对于内部结构的影响，使管材能够在高温高湿的极端条件下保持优异的力学性能。本发明所采用的各个技术手段相互配合、环环相扣、缺一不可，能够高效制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材。

2.本发明基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法的工序简单、质量可控、生产效率高。本发明先采用将配方原料总重量的40％进行预加热处理，然后再与剩余的配方原料进行混合加工，使原料内部的结构受到活化，便于后续的加工成型的进行。

3.本发明制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，填补其各个领域对高性能管材的应用空缺，满足了社会建设与工程建设的需求，具有显著耐高湿高温、抗老化、抗腐蚀、耐候强、韧性高、强度高、抗冲击、阻燃性能好、超耐磨、抗环境应力开裂、无二次污染、稳定可靠，还能在高温条件下具有优异的力学性能，拓展了管材的使用范围，具有广大的市场推广价值。

4.本发明制备而成的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的性能指标符合相关标准规定，产品的整个生产制备工艺简单、制作成本低、生产效率高、安全绿色环保，提高了经济效益。

【具体实施方式】

实施例1：

1.前期准备

阻燃母料的制备：按重量百分比计，将三氧化二锑15％、氢氧化镁0.05％、氢氧化铝0.95％、二氧化硅20％、玻璃纤维6％、聚乙烯蜡2％、高压聚乙烯50％和石墨烯6％混合均匀后，放入捏合机中，在105℃下捏合15～25min，然后放入双螺杆挤出机中，在一区温度为130℃、二区温度为125℃、三区温度为120℃、四区温度为110℃和转速为50r/min的条件下挤出成型，经冷却、切粒后，得到阻燃母料。

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯100份、酚醛树脂30份、阻燃母料1份、超高分子量聚乙烯10份、石墨烯1份、氢氧化铝10份、硼酸镁晶须1份、季戊四醇硬脂酸酯0.1份、二氧化硅10份、二硬脂酸羟基铝0.5份、微晶石蜡5份、辉绿岩粉0.05份、苯氧基聚磷腈弹性体10份、纳米碳化锆5份、硬脂酸丁酯5份、丁醇2份，热稳定剂0.5份、抗氧剂736 0.5份、聚氯乙烯1份和填充母粒10份。

将上述所制备的物质用于下述的制备方法中。

2.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为8MHz、压强为25Pa和氢气气体流速为30mL/s的条件下处理40s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在45℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在65℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为10MHz、压强为30Pa和氢气气体流速为30mL/s的条件下处理75s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、在50℃下冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

实施例2：

1.前期准备

阻燃母料的制备：按重量百分比计，将三氧化二锑20％、氢氧化镁4.95％、氢氧化铝0.05％、二氧化硅15％、玻璃纤维5％、聚乙烯蜡7％、高压聚乙烯40％和石墨烯8％混合均匀后，放入捏合机中，在105℃下捏合15～25min，然后放入双螺杆挤出机中，在一区温度为130℃、二区温度为125℃、三区温度为120℃、四区温度为110℃和转速为60r/min的条件下挤出成型，经冷却、切粒后，得到阻燃母料。

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯150份、酚醛树脂40份、阻燃母料15份、超高分子量聚乙烯13份、石墨烯7份、氢氧化铝20份、碱式硫酸镁晶须2份、氧化镁晶须2份、季戊四醇硬脂酸酯0.5份、玻璃纤维2份、微孔玻璃3份、低熔点玻璃3份、二氧化硅/氯化锡3份、二硬脂酸羟基铝1份、微晶石蜡6份、辉绿岩粉3份、苯氧基聚磷腈弹性体20份、纳米碳化锆6份、硬脂酸丁酯7份、丁醇2.5份，热稳定剂2份、抗氧剂168为0.5份、抗氧剂1010为0.5份、抗氧剂626为0.5份、聚醋酸乙烯共聚物2份、乙丙共聚物2份和填充母粒20份。

将上述所制备的物质用于下述的制备方法中。

2.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为9MHz、压强为34Pa和氢气气体流速为41mL/s的条件下处理50s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在55℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在66℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为12MHz、压强为38Pa和氢气气体流速为40mL/s的条件下处理90s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、在58℃下冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

实施例3：

1.前期准备

阻燃母料的制备：按重量百分比计，将三氧化二锑22％、氢氧化镁3％、氢氧化铝15％、二氧化硅10％、玻璃纤维11％、聚乙烯蜡4％、高压聚乙烯32％和石墨烯3％混合均匀后，放入捏合机中，在105℃下捏合15～25min，然后放入双螺杆挤出机中，在一区温度为130℃、二区温度为125℃、三区温度为120℃、四区温度为110℃和转速为70r/min的条件下挤出成型，经冷却、切粒后，得到阻燃母料。

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯140份、酚醛树脂50份、阻燃母料20份、超高分子量聚乙烯14份、石墨烯10份、氢氧化铝30份、氧化镁晶须20份、季戊四醇硬脂酸酯2份、硅凝胶/碳酸钾10份、消石5份、水合硅化合物5份、二硬脂酸羟基铝2份、微晶石蜡6份、辉绿岩粉4份、苯氧基聚磷腈弹性体25份、纳米碳化锆8份、硬脂酸丁酯6份、丁醇2.4份，热稳定剂2份、抗氧剂618为0.5份、抗氧剂BHT为0.5份、抗氧剂B215为0.3份、乙丙共聚物3份、EVA接枝氯乙烯共聚物3份和填充母粒17份。

将上述所制备的物质用于下述的制备方法中。

2.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为10MHz、压强为33Pa和氢气气体流速为37mL/s的条件下处理53s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在50℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在68℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为14MHz、压强为42Pa和氢气气体流速为40mL/s的条件下处理85s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、在55℃下冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

实施例4：

1.前期准备

阻燃母料的制备：按重量百分比计，将三氧化二锑16％、氢氧化镁6％、氢氧化铝6％、二氧化硅5％、玻璃纤维14％、聚乙烯蜡10％、高压聚乙烯39％和石墨烯4％混合均匀后，放入捏合机中，在105℃下捏合15～25min，然后放入双螺杆挤出机中，在一区温度为130℃、二区温度为125℃、三区温度为120℃、四区温度为110℃和转速为55r/min的条件下挤出成型，经冷却、切粒后，得到阻燃母料。

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯170份、酚醛树脂50份、阻燃母料22份、超高分子量聚乙烯17份、石墨烯12份、氢氧化铝45份、硼酸镁晶须10份、碱式硫酸镁晶须5份、氧化镁晶须5份、季戊四醇硬脂酸酯1.2份、二氧化硅5份、消石5份、水合硅化合物15份、二硬脂酸羟基铝1.5份、微晶石蜡7份、辉绿岩粉5份、苯氧基聚磷腈弹性体33份、纳米碳化锆6份、硬脂酸丁酯8份、丁醇2.8份，热稳定剂2.5份、抗氧剂B215为0.5份、抗氧剂B225为1份、抗氧剂B561为1份、聚氯乙烯1份、聚醋酸乙烯共聚物2份和填充母粒25份。

将上述所制备的物质用于下述的制备方法中。

2.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为10MHz、压强为36Pa和氢气气体流速为42mL/s的条件下处理54s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在49℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在66℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为12MHz、压强为40Pa和氢气气体流速为35mL/s的条件下处理80s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、在54℃下冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

实施例5：

1.前期准备

阻燃母料的制备：按重量百分比计，将三氧化二锑25％、氢氧化镁15％、氢氧化铝2％、二氧化硅1％、玻璃纤维25％、聚乙烯蜡2％、高压聚乙烯25％和石墨烯5％混合均匀后，放入捏合机中，在105℃下捏合15～25min，然后放入双螺杆挤出机中，在一区温度为130℃、二区温度为125℃、三区温度为120℃、四区温度为110℃和转速为80r/min的条件下挤出成型，经冷却、切粒后，得到阻燃母料。

基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯180份、酚醛树脂80份、阻燃母料35份、超高分子量聚乙烯20份、石墨烯15份、氢氧化铝50份、硼酸镁晶须10份、碱式硫酸镁晶须10份、氧化镁晶须5份、季戊四醇硬脂酸酯3份、低熔点玻璃10份、二氧化硅/氯化锡10份、硅凝胶/碳酸钾10份、消石10份、水合硅化合物10份、二硬脂酸羟基铝3份、微晶石蜡8份、辉绿岩粉10份、苯氧基聚磷腈弹性体40份、纳米碳化锆10份、硬脂酸丁酯9份、丁醇3份，热稳定剂5份、抗氧剂618为0.5份、抗氧剂B215为2份、抗氧剂B225为2份、抗氧剂B561为0.5份、聚氯乙烯2份、聚醋酸乙烯共聚物2份、乙丙共聚物2份、EVA接枝氯乙烯共聚物4份和填充母粒30份。

将上述所制备的物质用于下述的制备方法中。

2.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为12MHz、压强为40Pa和氢气气体流速为45mL/s的条件下处理60s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在58℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在70℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为15MHz、压强为50Pa和氢气气体流速为45mL/s的条件下处理100s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、在60℃下冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

试验1：

储能模量测试试验：按实施例1-5的方法制备步骤(1)中的预处理材料，以不添加石墨烯的聚氯乙烯作为对照例1，石墨烯和聚氯乙烯采用简单混炼处理的预处理材料作为对照例2，应用动态热机械分析仪检测所有样品的动态储能模量：升温速率10℃/min、频率1Hz、升温区间为60～180℃。记录在100℃下样品的储能模量，结果见表1。

表1：

由表1可知：在相同的温度条件下，储能模量越高，说明样品的弹性越高，该样品的应力传递效果越好，界面相容性也就越好。本发明实施例制备的样品在100℃下的储能模量远远高于对比例1和对比例2的储能模量，说明本发明所制备的预处理材料能够显著提高聚氯乙烯和石墨烯的相容性。

试验2：

维卡软化温度试验：按实施例1-5的方法制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材样品，以不添加石墨烯的聚氯乙烯管材作为对照例，检测样品的维卡软化温度，具体的操作步骤参考GB/T 1634-2004，其中负载为4kg，升温速率为50℃/h，，测定探针深入1mm时的温度，具体检测结果见表2。

表2：

由表2可知：维卡软化温度越高，说明样品的耐热性越好。实施例1-5样品的维卡软化温度远远高于对照例的维卡软化温度，说明本发明所制备的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材能够显著提高管材的耐热性。

试验3：

湿热状态下力学性能试验：按实施例1-5的方法制备基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材样品，以不添加石墨烯的聚氯乙烯管材作为对照例，检测样品在温度为60±2℃、相对湿度为95±5％的环境中维持30d前后样品的拉伸屈服强度和拉伸断裂伸长率的初始值和末值，并计算拉伸屈服强度的降低率和拉伸断裂伸长率的降低率，结果见表3。

拉伸性能测定：采用国家标准GB/T 8804.2-2003《热塑性塑料管材拉伸性能测定》。

表3：

由表3可知：初始拉伸屈服强度的数值越高，说明样品的力学性能越好。实施例1-5样品的初始拉伸屈服强度远远高于对照例，说明本发明所制备的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材能够显著提高管材的力学性能；

初始拉伸断裂伸长率的数值越高，说明样品的力学性能越好。实施例1-5样品的初始拉伸断裂伸长率远远高于对照例，说明本发明所制备的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材能够显著提高管材的力学性能；

拉伸屈服强度降低率的数值越小，说明在高温湿热环境中样品的力学性能的保持程度越高；实施例1-5样品的拉伸屈服强度降低率远远低于对照例，说明本发明所制备的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材能够良好保持管材在湿热环境中力学性能；

拉伸断裂伸长率降低率的数值越小，说明在高温湿热环境中样品的力学性能的保持程度越高；实施例1-5样品的拉伸断裂伸长率降低率远远低于对照例，说明本发明所制备的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材能够在湿热环境中保持优异的力学性能。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：按重量份数计，包括以下原料：聚氯乙烯100-180份、酚醛树脂30-80份、阻燃母料1-35份、超高分子量聚乙烯10-20份、石墨烯1-15份、氢氧化铝10-50份、镁盐晶须1-25份、季戊四醇硬脂酸酯0.1-3份、硅系材料10-50份、二硬脂酸羟基铝0.5-3份、微晶石蜡5-8份、辉绿岩粉0.05-10份、苯氧基聚磷腈弹性体10-40份、纳米碳化锆5-10份、硬脂酸丁酯5-9份、丁醇2-3份，热稳定剂0.5-5份、抗氧剂0.5-5份、增容剂1-10份和填充母粒10-30份；

所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用悬浮法制备聚氯乙烯，然后按配方准确称重聚氯乙烯、石墨烯和丁醇，将聚氯乙烯和石墨烯混合均匀后，放入丁醇溶液中浸泡10min，然后放入成型机中，经过挤出成型、压制成片后，放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为8-12MHz、压强为25-40Pa和氢气气体流速为30-45mL/s的条件下处理40-60s，切割成粒并进行干燥后，得到预处理材料；

(2)、按配方准确称重除聚氯乙烯、石墨烯和丁醇以外的原料，并和将步骤(1)所述的预处理材料混合均匀，将所有物料总重量的45％控制在45-58℃，为初混合料，将初混合料再与剩下物料在65-70℃下混合均匀，挤出成型、压制成片，得到配方混合料；

(3)、将配方混合料放入等离子体处理仪中，在等离子放电频率为10-15MHz、压强为30-50Pa和氢气气体流速为30-45mL/s的条件下处理75-100s，然后将物料取出清洗干净，切割成粒，放入成型机中，经过挤出、定径、牵引、冷却成型、切割、标记和清理工序后，得到基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材成品。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：所述的阻燃母料按重量百分比计，包括以下原料：三氧化二锑15-25％、氢氧化镁0.05-15％、氢氧化铝0.05-15％、二氧化硅1-20％、玻璃纤维5-25％、聚乙烯蜡2-10％、高压聚乙烯25-50％和石墨烯3-8％。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：所述的镁盐晶须为硼酸镁晶须、碱式硫酸镁晶须和氧化镁晶须中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：所述的硅系材料为二氧化硅、玻璃纤维、微孔玻璃、低熔点玻璃、二氧化硅/氯化锡、硅凝胶/碳酸钾、消石和水合硅化合物中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂736、抗氧剂168、抗氧剂1010、抗氧剂626、抗氧剂618、抗氧剂BHT、抗氧剂B215、抗氧剂B225和抗氧剂B561中的任意一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材，其特征在于：所述的增容剂为聚氯乙烯、聚醋酸乙烯共聚物、乙丙共聚物和EVA接枝氯乙烯共聚物中的任意一种或多种。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高性能聚氯乙烯管材的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的冷却成型的温度为50-60℃。