CN110240805B - 石墨烯改性聚苯硫醚材料及其制备方法、导热塑料管 - Google Patents

石墨烯改性聚苯硫醚材料及其制备方法、导热塑料管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了石墨烯聚苯硫醚改性材料及其制备方法、导热塑料管。该聚苯硫醚改性材料包括80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及选自下列的至少之一：5～30重量份的增韧改性剂；2～50重量份的稳定性增强剂；1～50重量份的导热助剂；以及0.5～4重量份的添加剂。该聚苯硫醚改性材料具有较好的力学性能、耐热强度以及导热性，同时可耐酸碱腐蚀，可应用于较为严苛的环境。

Description

石墨烯改性聚苯硫醚材料及其制备方法、导热塑料管
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，具体地，涉及聚苯硫醚改性材料及其制备方法、导热塑料管，更具体地，涉及石墨烯改性聚苯硫醚材料及其制备方法、导热塑料管。
背景技术
随着近年来工业发展对导热材料耐腐蚀性、机械性能、电绝缘性能和加工性能等要求的提高，传统导热材料(如金属等)在某些化工领域已满足不了应用的需求。高分子材料具有质轻、耐化学腐蚀、成型加工性能优良、电绝缘性能优异、力学及疲劳性能优良等特点，但高分子材料本身多是热的不良导体，需要进行改性以提升材料的导热性能。聚苯硫醚(PPS)是热塑性高分子中稳定程度最高的树脂之一，被认为是一种仅次于聚四氟乙烯的良好耐化学腐蚀材料，且具有高强度、高刚度、出色的耐疲劳性能和抗蠕变性能，可用于制备导热塑料管。但是，聚苯硫醚材料自身的导热性能并不突出，目前聚苯硫醚改性材料的耐腐蚀性、机械性能又难以保持在较好的水平。
因此，目前的聚苯硫醚改性材料及其制备方法、基于聚苯硫醚改性材料的导热塑料管仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：
虽然聚苯硫醚可以通过与其他高分子材料或是无机材料(如碳纳米材料)混合形成改性材料，以达到提升导热性能或是改善加工性能的目的，然而目前的聚苯硫醚改性材料，难以同时兼顾耐酸碱腐蚀、导热性能以及机械性能的提升。因此，目前的聚苯硫醚改性材料的应用仍较为受限，无法应用于环境较为苛刻的化工场景。如能够通过对聚苯硫醚改性材料的组成进行改进，获得同时能够耐酸、耐碱，并能够保持聚苯硫醚优良的机械性能以及聚苯硫醚改性材料导热性的材料，将大幅扩展聚苯硫醚改性材料的应用。
本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种耐酸碱的聚苯硫醚改性材料。该聚苯硫醚改性材料包括80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及选自下列的至少之一：5～30重量份的增韧改性剂；2～50重量份的稳定性增强剂；1～50重量份的导热助剂；以及0.5～4重量份的添加剂。该聚苯硫醚改性材料具有较好的机械性能以及导热性，同时可耐酸碱腐蚀，可应用于环境较为严苛的化工领域。
根据本发明的实施例，所述增韧改性剂包括尼龙以及改性尼龙的至少之一。其中，改性尼龙包括碳纤改性尼龙、玻纤改性尼龙以及碳纤玻纤共改性尼龙。上述增韧改性剂不仅可以提升改性材料的机械性能，同时还可以提高该改性材料对酸碱的耐腐蚀性能。
根据本发明的实施例，所述稳定性增强剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯以及四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的至少之一。由此，可进一步提高该改性材料的性能。
根据本发明的实施例，所述导热助剂包括石墨烯、石墨、碳纳米管、碳纤维、碳化硅、氮化硼中的至少之一。由此，可进一步提高该改性材料的导热性能。
根据本发明的实施例，所述添加剂包括蜡、操作油、硅烷偶联剂中的至少之一。由此，可进一步提高该改性材料的性能。
根据本发明的实施例，该聚苯硫醚改性材料包括：95～100重量份的所述聚苯硫醚基材以及4～30重量份的所述增韧改性剂，所述增韧改性剂为尼龙。该聚苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
根据本发明的实施例，该聚苯硫醚改性材料进一步包括选自下列的至少之一：2～15重量份的所述稳定性增强剂，所述稳定性增强剂为聚四氟乙烯；10～25重量份的所述导热助剂；以及1～3重量份的所述添加剂，其中，所述导热助剂包括碳化硅粉、碳纤维、石墨烯、以及碳纳米管中的至少之一。该聚苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能和导热性的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
根据本发明的实施例，该聚苯硫醚改性材料包括：95～100重量份的所述聚苯硫醚基材以及4～6重量份的所述稳定性增强剂，所述稳定性增强剂为聚四氟乙烯。该聚苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备聚苯硫醚改性材料的方法。该方法包括：将原料按照配比进行高速混合，并将经过所述高速混合的原料进行挤出造粒，以形成聚苯硫醚改性材料，所述原料包括80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及选自下列的至少之一：5～30重量份的增韧改性剂；2～50重量份的稳定性增强剂；1～50重量份的导热助剂；以及0.5～4重量份的添加剂。由此，可较为简便地获得聚苯硫醚改性材料，且获得的改性材料可具有较好的性能。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种导热塑料管。该导热塑料管包括前面的聚苯硫醚改性材料。由此，该导热塑料管具有前面描述的聚苯硫醚改性材料所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该导热塑料管可应用于较为严苛的化工环境中。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面通过实施例对本发明进行的说明是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种耐酸碱的聚苯硫醚改性材料。该聚苯硫醚改性材料包括聚苯硫醚基材，以及选自增韧改性剂、稳定性增强剂、导热助剂、和添加剂的至少之一。当聚苯硫醚基材与选自上述添加剂的至少之一混合时，可令改性材料具有较好的机械性能，同时具有较好的酸碱耐受度。因此，可应用于较为严苛的环境中。该聚苯硫醚改性材料中，可以含有80～100重量份的聚苯硫醚基材，以重量份计，可含有以下几种组分的至少之一：5～30重量份的增韧改性剂、2～50重量份的稳定性增强剂、1～50重量份的导热助剂，以及0.5～4重量份的添加剂。
根据本发明的一些实施例，该聚苯硫醚改性材料可以含有80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及增韧改性剂和稳定性增强剂中的一种或两种，同时含有导热助剂和添加剂中的至少之一。
根据本发明的实施例，增韧改性剂可包括PA以及改性PA的至少之一。也可以包括三元乙丙、SBS、SEBS等增韧剂的至少之一。例如，可包括玻纤增强PA，玻纤和碳纤共改性的PA。例如，可以为15％玻纤增强的尼龙(PA)。具体地，可以包括选自PA、PA6以及PA66的至少之一。上述增韧改性剂不仅可以提升改性材料的机械性能，同时，发明人惊奇地发现，上述尼龙，特别是玻纤增强PA，还可以提高该改性材料对酸碱的耐腐蚀性能。
根据本发明的实施例，稳定性增强剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)以及四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)中的至少之一。由此，可进一步提高该改性材料的性能。发明人发现，上述稳定性增强剂不仅有利于提高该聚苯硫醚改性材料的可加工性，同时还可以在一定程度上提高该改性材料的耐酸碱腐蚀。并且，当该改性材料中含有80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及2～50重量份的稳定性增强剂时，例如，含有5～15重量份的稳定性增强剂，可提高该聚苯硫醚改性材料对无机酸、碱(例如氢氧化钠)以及部分有机物(如甲苯)中的耐腐蚀度。根据本发明的实施例，PTFE等稳定性增强剂，还可以改进改性材料的耐酸碱性能。但过度添加，将导致改性材料加工性能变差。
根据本发明的实施例，为了进一步提高该聚苯硫醚改性材料的导热性能，该聚苯硫醚复合无中还可进一步包括导热助剂。导热助剂的添加量可以为1～50重量份，导热助剂可以包括碳基材料，例如，可包括石墨烯、石墨、碳纳米管、碳纤维、碳化硅、氮化硼中的至少之一。由此，可进一步提高该改性材料的导热性能，且可以在一定程度上提升改性材料的酸碱耐候性。并且，碳纤维、碳纳米管和石墨烯等具有一定二维或三维形貌的碳纳米材料，除了可提升该聚苯硫醚改性材料的导热性，同时还可以缓解由于添加剂的添加而导致改性材料机械性能的下降。例如，导热助剂可以包括碳化硅。碳化硅除了可以改进改性材料的导热性能，还可以在一定程度上提升改性材料的酸碱耐候性。当导热助剂中包括碳化硅时，需控制增加的碳化硅的量：由于碳化硅自身比重较大，添加量过小不容易获得较好的填充率，难以改进材料的导热性能，而添加过量时，材料的胶黏性受影响，加工性能变差。
根据本发明的实施例，为了进一步提高该改性材料的可加工性，进一步提高改性材料的性能，保证PPS基体以及其他添加剂可充分混合分散，该聚苯硫醚改性材料还可以包括添加剂。添加剂的具体类型不受特别限制，例如可以包括蜡、操作油、偶联剂，例如硅烷偶联剂中的至少之一。根据本发明的实施例，由于本发明所选用的增韧改性剂、稳定性增强剂以及导热助剂的化学组分和含量均经过控制和筛选，因此添加剂的添加量可以较少。由此，可在保证该改性材料中各组分可较好的分散的同时，避免添加剂添加过度而影响改性材料的性能。
根据本发明的一些具体实施例，该聚苯硫醚改性材料可以包括95～100重量份的聚苯硫醚基材以及4～30重量份的增韧改性剂。其中，增韧改性剂可以为PA，例如为15％玻纤改性PA。苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
根据本发明的实施例，该聚苯硫醚改性材料在包括聚苯硫醚基材和增韧改性剂(例如可为15％玻纤改性PA)的同时，还可以进一步包括以下材料的至少之一：2～15重量份的所述稳定性增强剂，所述稳定性增强剂为聚四氟乙烯；10～25重量份的所述导热助剂；以及1～3重量份的所述添加剂，其中，所述导热助剂包括碳化硅粉、碳纤维、石墨烯、以及碳纳米管中的至少之一。该聚苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能和导热性的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
根据本发明的另一些实施例，该聚苯硫醚改性材料也可以包括95～100重量份的聚苯硫醚基材以及4～6重量份的稳定性增强剂，稳定性增强剂可以为聚四氟乙烯。该聚苯硫醚改性材料可在保持较好的机械性能的同时，对酸碱、有机物具有较好的抗腐蚀性。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备聚苯硫醚改性材料的方法。该方法制备的聚苯硫醚改性材料，可以为前面描述的聚苯硫醚改性材料。根据本发明的实施例，该方法包括：将原料按照配比进行高速混合，并将经过高速混合的原料进行挤出造粒，以形成聚苯硫醚改性材料。其中，原料的配比可以按照前面描述的聚苯硫醚改性材料的化学组成进行配比。例如，原料可包括80～100重量份的聚苯硫醚基材，以及选自下列的至少之一：5～30重量份的增韧改性剂、2～50重量份的稳定性增强剂、1～50重量份的导热助剂，以及0.5～4重量份的添加剂。由此，可较为简便地获得聚苯硫醚改性材料，且获得的改性材料可具有较好的性能。
根据本发明的实施例，增韧改性剂、稳定性增强剂、导热助剂，以及添加剂的化学组成，可以具有和前面描述的聚苯硫醚改性材料中相应组分相同的化学组成，在此不再一一赘述。
根据本发明的另一些实施例，合成该聚苯硫醚改性材料的方法可不限于挤出成型，或是不限于单螺杆挤出造粒。例如，可以通过双螺杆、密炼、万马力、行星螺杆等成型方法或设备，形成具有上述组分的聚苯硫醚改性材料。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种导热塑料管。该导热塑料管包括前面的聚苯硫醚改性材料。由此，该导热塑料管具有前面描述的聚苯硫醚改性材料所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该导热塑料管可应用于较为严苛的化工环境中。
下面通过具体的实施例对本发明的方案进行说明，需要说明的是，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
将100g的PPS，5g的PA加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例2
将100g的PPS，30g的PA加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例3
将100g的PPS，10g的PA加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例4
将100g的PPS，5g的PTFE加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例5
将100g的PPS，5g的石墨烯、2g的添加剂加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例6
将100g的PPS，30g的PA、30g的碳化硅粉末加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例7
将100g的PPS，30g的PA、2g的碳纤维、18g的碳化硅粉末、2g的添加剂加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
实施例8
将100g的PPS，15g的PA、10g的PTFE、10g石墨烯、1g碳纳米管、2g的碳纤维、10g的碳化硅粉末、2g的添加剂加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
对比例1
将100g的PPS，60g的PA加入高速混合机中，高速混合处理15min。将混合均匀的物料加入单螺杆挤出机中挤出，挤出机后端经造粒机处理，得到改性的PPS母粒。此母粒投入挤出机中经挤出、加压、冷却工艺得到改性的PPS管材。
性能测试
对实施例1～实施例7获得的母粒的性能进行测试。其中，拉伸强度以GB/T 1040-2006进行测试。导热系数以ASTM E1461进行测试。其中强度保持率为：按照在试剂加热至93摄氏度下，将上述实施例获得的管材浸入下表1所示的试剂中48小时后，拉伸强度的保持率。
表一.各实施例性能汇总
Figure BDA0002096848630000071
表二.对比例性能汇总
1
拉伸强度(MPa) 67
导热系数(W/m·K) 0.2
37％盐酸 96
30％硝酸 65
30％硫酸 90
30％氢氧化钠 83
甲苯 77
由表1可知，全部实施例的管材在高温的酸、碱以及有机物环境中，均可保持较好的强度，即全部实施例获得的管材均具有较好的耐腐蚀性。同时，实施例1～实施例7的管材的拉伸强度以及导热系数也较好，可以保持PPS材料较为优异的机械性能以及导热性能。特别是导热助剂种类较多的实施例7，导热系数较传统的PPS材料具有超过20倍的提升。
由表2可知，当PA添加量过高时(参加对比例1)，虽然PPS树脂的流动性及拉伸性能可获得一定程度的提升，但PA对于混合树脂的导热性能没有贡献，且由于PA树脂本身酸碱耐受性较差，在有机溶剂中容易发生溶胀反应，不仅容易导致改性材料的耐酸性能下降，且容易导致混合树脂在酸碱耐候性试验后，强度发生了较大程度的下降。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种改性的PPS母粒，其特征在于，包括100 g的PPS、15 g的PA、10 g的PTFE、10 g石墨烯、1 g碳纳米管、2 g的碳纤维、10 g的碳化硅粉末和2 g的添加剂。
2.一种制备权利要求1所述的改性的PPS母粒的方法，其特征在于，包括：
将原料按照配比进行高速混合，并将经过所述高速混合的原料进行挤出造粒，以形成改性的PPS母粒。
3.一种改性的PPS管材，其特征在于，所述改性的PPS管材包括权利要求1所述的改性的PPS母粒。
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