CN109749201A - 一种导电导热uhmwpe/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法。由下述重量份的组分：UHMWPE粉料89～99.7份、天然鳞片石墨烯0.1~11.8份、抗氧剂0.1~0.6份，偶联剂0.1～0.6份组成。其制备工艺如下：原料干燥；高速混合制备天然鳞片GNP/UHMWPE导电导热共混粒子；高温压制成型。本发明的导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料，随着天然鳞片石墨烯含量增加，形成了导电导热通路，同时具备了导热导电功能。达到了导电复合材料功能化抗静电的用途；当天然鳞片石墨烯添加量为10wt%时，导热系数达到0.8(W·m^‑1·K^‑1)，相比纯超高分子量聚乙烯的导热系数提高了2倍。

Description

一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子电器设备的进一步发展，聚合物导热导电复合材料的应用继而得到了快速的发展。超高分子量聚乙烯有很多优良的性能，如耐磨损性、耐冲击、耐化学腐蚀性、自润滑性等，存在的许多不足：热变形温度低、硬度低、强度低、耐温性能差、熔融粘度高、流动性差等缺点，限制了其应用，进行其UHMWPE的改性，改性方法主要有物理改性(填充改性)、化学改性(共聚改性、交联改性和交联等)和聚合物共混改性，通过改性可改善UHMWPE本身的缺陷，提高耐热性、阻燃、导电导热功能等方面的特性。

超高分子量聚乙烯的高性能化、工程塑料化、功能化是聚合物复合材料研究领域最重要的追求目标之一。塑料导热导电是其中一个主要的手段。最常用且最有效的导电导热手段就是在UHMWPE基体中引入导电导热填料，当体系中导电导热填料的达到一定临界值时，导电导热复合材料就会形成一个导电导热通路。但这一类改性方法存在的致命弱点，即虽然材料的导电导热性能提高了，但往往会严重造成材料强度、韧性等机械性能的劣化。

UHMWPE的表面电阻率为ρ_s= 10¹⁶～10¹⁷Ω, 体积电阻率ρ_v=10¹⁷～10¹⁸Ω•cm, 介电常数为ε=2.2～2.3。在使用过程会因摩擦形成电荷聚集现象，产生静电放电，静电放电会引起火灾等安全隐患，限制了UHMWPE管材在导电导热场所的应用。因此对于UHMWPE管材进行导电导热改性成为研究人员关注的焦点。综合管材成本及性价比，研究人员关于导热导电填料的选择的着重点放在碳材料上。天然鳞片石墨烯是一种价格低廉、导电导热性能好，常用作导电导热高分子复合材料的填料。其填充量和性质对导电导热高分子复合材料的性能影响显著，随着天然鳞片石墨烯的填充量的增加，导电导热性能均可实现。

本发明主要是采用碳系双导填料天然鳞片石墨烯填充改性UHMWPE材料，制备UHMWPE/天然鳞片石墨烯导电导热复合材料，体积电阻可达到10⁴～10⁸Ω•cm范围，表面电阻率≤10⁵Ω，电导率为10^-4 S/cm。期望并将该复合材料运用于挤出导电导热高耐磨的UHMWPE管材、高硬度板材生产及应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是采用高导热导电填料填充改性方法，提供一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法，从而获得导电导热的功能化新材料，改善并提高了塑料材料的导电导热性能，且可实现制品的导电导热功能场所的应用。

为了实现本发明的目的，具体技术方案如下：

一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法，由下述重量配方组成：

UHMWPE粉料 89～99.7份

天然鳞片石墨烯 0.1～11.8份

抗氧剂 0.1 ~ 0.6份

偶联剂 0.1～0.6份。

上述各组分重量百分比含量相加为100%。

所述UHMWPE为粉料，粒径分布范围30~200μm，数均分子量为300~800万 g/mol，拉伸强度≥38MPa。

所述天然鳞片石墨烯，粒径325目；为现有技术产品，物料形态粉末片状，由青岛金日来石墨有限公司提供。表面经偶联剂处理，其制备方法为：将配方量的天然鳞片石墨烯与0.1~0.6份的偶联剂加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌5~30min，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

所述的一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料及其制备方法，其特征在于，各组分干燥后经高速混合机混合均匀，再经模压成型制备，其制备方法为：

包括如下步骤：

A.干燥：将UHMWPE、天然鳞片石墨烯粉料在干燥箱中80℃干燥4~6 h；

B.称量：按照重量份数，称取干燥后的UHMWPE、天然鳞片石墨烯粉料及其他添加助剂；

C．天然鳞片石墨烯偶联剂处理：将0.1～11.8份的天然鳞片石墨烯粉料与0.1~0.6份的偶联剂乙醇稀释液加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌5~30min，获得天然鳞片石墨烯粉料偶联剂处理产物，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料、抗氧剂0.1~0.6份与步骤C制得的天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物一起置于高速捏合机中高速混合5~10 min，所述高速混合机的转速为34000rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200℃加热、17 MPa加压条件下，热压 20 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料的UHMWPE导热导电板材。

采用上述技术方案后，本发明具有如下特点和优点：1、制品表面光泽度良好；2、制品具有较高导热系数、良好的导电性能等特点；3、制备功能化性价比优良、低成本；4、实现了采用一种填料填充改性，获得双导(导电导热)专用化的新材料，为单一塑料材料附加了双导新功能，很大程度上为电磁屏蔽和阻-温传感器电子设备的应用提供了可能性。本发明提供的导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料，随着天然鳞片石墨烯含量增加，形成了导电导热通路，同时具备了导热导电功能。当天然鳞片石墨烯添加量为5wt%时，压制成型的板材电导率接近10^-6 S/cm，达到了导电复合材料功能化抗静电的用途；当天然鳞片石墨烯添加量为10wt%时，导热系数达到了0.8 (W·m^-1·K^-1)左右，相比纯超高分子量聚乙烯的导热系数提高了2倍，见图1。

附图说明

图1为本发明天然鳞片石墨烯的含量对超高分子量聚乙烯导电导热复合材料的电导率和导热系数的影响图。

图2为本发明天然鳞片石墨烯片FE-SEM图。

图3为本发明超高分子量聚乙烯导电导热复合材料FE-SEM脆断面形貌图。

具体实施方式

本发明下述实施例所采用的所述UHMWPE，厂家上海联乐化工科技有限公司，粒径分布范围30~200μm，数均分子量为300~800万 g/mol，拉伸强度≥38MPa的粉料；所述天然鳞片石墨烯，粒径325目，片状粉末材料，为现有技术产品，由青岛金日来石墨有限公司提供，天然鳞片石墨烯片FE-SEM形貌图见图2，复合材料板材脆断面形貌见图3。

实施例1

一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料由：UHMWPE粉料89份、天然鳞片石墨烯10份、抗氧剂420/抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比=1/1/1) 0.5份，钛酸酯偶联剂0.5份。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE粉料、天然鳞片石墨烯在干燥箱中80℃干燥5 h；

B.称量：UHMWPE粉料/天然鳞片石墨烯粉料/抗氧剂/钛酸酯偶联剂稀释液按照重量比=89/10/0.5/0.5，称取各组分；

C．天然鳞片石墨烯偶联剂处理：将10份的天然鳞片石墨烯与0.5份钛酸酯偶联剂加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌30min，获得天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料和抗氧剂以及步骤C制得的天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物一起置于高速捏合机中高速混合5 min，所述高速混合机的转速为34000 rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200℃加热、17 MPa加压条件下，热压 20 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料的UHMWPE导电导热板材，导热导电性能指标见说明书附图。

实施例2

一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料由：UHMWPE粉料94份、天然鳞片石墨烯5份、抗氧剂420/抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比例=1/1/1) 0.5份、钛酸酯偶联剂0.5份。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE粉料、天然鳞片石墨烯在干燥箱中80℃干燥5 h；

B.称量：UHMWPE粉料/天然鳞片石墨烯粉料/抗氧剂/钛酸酯偶联剂稀释液按照重量比=94/5/0.5/0.5，称取各组分；

C．天然鳞片石墨烯偶联剂处理：将5份的天然鳞片石墨烯与0.5份钛酸酯偶联剂加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌30min，获得天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料和抗氧剂以及步骤C制得的天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物一起置于高速捏合机中高速混合5 min，所述高速混合机的转速为34000 rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200℃加热、17 MPa加压条件下，热压 20 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料的UHMWPE导电导热板材，导热导电性能指标见说明书附图。

实施例3

一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料由：UHMWPE粉料96份、天然鳞片石墨烯3份、抗氧剂420/抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比例=1/1/1) 0.5份、钛酸酯偶联剂0.5份。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE粉料、天然鳞片石墨烯在干燥箱中80℃干燥5 h；

B.称量：UHMWPE粉料/天然鳞片石墨烯粉料/抗氧剂/钛酸酯偶联剂稀释液按照重量比=96/3/0.5/0.5，称取各组分；

C．天然鳞片石墨烯偶联剂处理：将3份的天然鳞片石墨烯与0.5份钛酸酯偶联剂以及乙醇稀释液(乙醇稀释液中的无水乙醇的质量是钛酸酯偶联剂的4倍)加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌30min，获得天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料和抗氧剂以及步骤C制得的天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物一起置于高速捏合机中高速混合5 min，所述高速混合机的转速为34000 rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200℃加热、17 MPa加压条件下，热压 20 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料的UHMWPE导电导热板材，导热导电性能指标见说明书附图1和图3。

Claims (4)

1.一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料，其特征在于，由下述重量配比的原料制成：

UHMWPE粉料89～99.7份、天然鳞片石墨烯0.1~11.8份、抗氧剂0.1~0.6份，偶联剂0.1～0.6份。

2.根据权利要求1所述的一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料，其特征在于，所述UHMWPE粉料为粒径分布范围30~200μm，数均分子量为300~800万 g/mol，拉伸强度≥38MPa的粉料。

3.根据权利要求1所述的一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料，其特征在于，所述天然鳞片石墨烯，粒径325目，片状粉末材料，由青岛金日来石墨有限公司提供，天然鳞片石墨烯经过偶联剂表面处理，其制备方法为：将配方量的天然鳞片石墨烯与0.1~0.6份的偶联剂加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌5~30min，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

4.权利要求1-3任一所述的一种导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

A.干燥：将UHMWPE、天然鳞片石墨烯粉料在干燥箱中80℃干燥4~6 h；

B.称量：按照配方量，称取偶联剂、抗氧剂、干燥后的天然鳞片石墨烯、UHMWPE粉料；

C.天然鳞片石墨烯偶联剂处理：将0.1~11.8份天然鳞片石墨烯与0.1～0.6份的偶联剂加入高混机中，保持转速600~2000 rpm，高速搅拌5~30min，获得天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料、抗氧剂0.1~0.6份与步骤C制得的天然鳞片石墨烯偶联剂处理产物一起置于高速捏合机中高速混合5~10 min，所述高速混合机的转速为34000rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200℃~220℃加热、17MPa加压条件下，热压 20 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获得导电导热UHMWPE/天然鳞片石墨烯复合材料板材。