一種高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的制備方法。針對(duì)石墨烯在非極性的聚丙烯基體中分散困難的難題，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)對(duì)氧化石墨烯表面進(jìn)行烷基化修飾并還原，得到的改性石墨烯親油性良好。將烷基化的石墨烯與聚丙烯在高速攪拌機(jī)中按比例混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合擠出，再利用切粒機(jī)冷切得到顆粒。制得的石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料比純聚丙烯的拉伸強(qiáng)度、韌性和耐熱性均有大幅度的提高,且石墨烯在聚丙烯中分散均勻。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)所用原料成本低廉、操作容易、工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及石墨烯改性和聚合物加工
，具體涉及ー種高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
: 石墨烯是由單層六角原胞碳原子組成的蜂窩狀ニ維晶體，是構(gòu)建零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨的基本単元，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、突出的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高的比表面積和優(yōu)異的吸附性能以及顯著的界面效應(yīng)，非常適合于構(gòu)筑高性能和多功能聚合物納米復(fù)合材料。聚丙烯是ー種價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的通用塑料，當(dāng)石墨烯作為聚丙烯的增強(qiáng)相吋，能有效改善聚丙烯低溫脆性、力學(xué)強(qiáng)度較低、成型收縮率大和耐熱性差等缺陷，從而拓寬聚丙烯的應(yīng)用范圍。然而，石墨烯表面含氧官能團(tuán)少，片層間較強(qiáng)的范德華力使其易于團(tuán)聚，在非極性的聚丙烯中分散尤為困難。如何針對(duì)聚丙烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)石墨烯進(jìn)行改性以改善石墨烯與聚丙烯間相容性，是制備石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的關(guān)鍵難點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
: 針對(duì)聚丙烯在很多場(chǎng)合下強(qiáng)度、韌性、耐熱性不夠的缺陷，采用ニ維石墨烯納米材料與之復(fù)合是行之有效的手段，但需解決石墨烯與聚丙烯間相容性差的難題。本專(zhuān)利技術(shù)提出了ー種石墨烯烷基化修飾并還原的方法，該改性石墨烯含有的長(zhǎng)鏈烷基能賦予其優(yōu)良的耐油性，使之與聚丙烯相容性良好。將改性的石墨烯與聚丙烯擠出造粒，制備出高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱、易加工和低成本的復(fù)合材料，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義和エ業(yè)價(jià)值。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案: ー種高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料，由下法制備: ①石墨烯的烷基化修飾:將氧化石墨烯溶于水，將表面改性劑溶于溶劑中，分別超聲分散20分鐘 2小時(shí)，超聲頻率為20 100赫茲；然后將上述氧化石墨烯和表面改性劑混合，在磁力攪拌下反應(yīng)I 10小時(shí)，攪拌速度為20 1000轉(zhuǎn)/每分鐘，反應(yīng)溫度為20 120°C;隨后加入還原劑，60 150°C下反應(yīng)I 10小時(shí)；最后抽濾，產(chǎn)物用溶劑反復(fù)洗滌以除去多余的表面改性劑，在烘箱中20 120°C干燥2 20小時(shí)，研磨，即得高分散烷基化石墨烯； ②石墨烯/聚丙烯復(fù)合材 料的制備:稱(chēng)取聚丙烯和聚丙烯質(zhì)量0.05 5%的高分散烷基化石墨烯，在高速攪拌機(jī)中混合5 40分鐘，主軸轉(zhuǎn)速600 3000轉(zhuǎn)/每分鐘；然后將混合均勻的聚丙烯和高分散烷基化石墨烯加入雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合，螺桿轉(zhuǎn)速20 120轉(zhuǎn)/分鐘，在180 250°C下熔融混煉10 15分鐘；所得熔體由雙螺桿擠出后，經(jīng)水槽冷卻并引入切粒機(jī)進(jìn)行切粒操作，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速2 20轉(zhuǎn)/分鐘，所得粒料即為本專(zhuān)利技術(shù)的高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料。本專(zhuān)利技術(shù)所用表面改性劑為烷基氨類(lèi)如十八烷基胺、十六烷基胺、十二烷基胺、八烷基胺，燒基娃燒偶聯(lián)劑如正十八燒基ニ甲氧基娃燒、正十二燒基ニ甲氧基娃燒、羊基ニ甲氧基硅烷，聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐中的ー種或幾種。本專(zhuān)利技術(shù)所用還原劑為維生素C、氨水、水合肼、氫氧化鈉、硼氫化鈉、谷胱甘肽中的ー種或幾種。本專(zhuān)利技術(shù)所用溶劑為甲醇、こ醇、甲苯、ニ甲苯、環(huán)已烷、四氫呋喃、氯仿、丙酮中的一種或幾種。本專(zhuān)利技術(shù)所用聚丙烯為等規(guī)聚合物，其分子量為20 40萬(wàn)，熔融指數(shù)為3 6g/10mino本專(zhuān)利技術(shù)所用水槽冷卻時(shí)所用水槽溫度為30 60°C，切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速為600 900轉(zhuǎn)/每分鐘。本專(zhuān)利技術(shù)制備的高分散烷基化石墨烯/聚丙烯具有如下特征和優(yōu)點(diǎn): 1.本專(zhuān)利技術(shù)所制備的高分散烷基化石墨烯的平均厚度為2 7nm。2.本專(zhuān)利技術(shù)制備的烷基化石墨烯在ニ甲苯、甲苯、三氯甲烷和四氫呋喃等有機(jī)溶劑中分散均勻，表明其親油性良好。3.本專(zhuān)利技術(shù)制備的烷基化石墨烯耐熱性優(yōu)良，其分子鏈中含有較長(zhǎng)的烷基鏈。4.本專(zhuān)利技術(shù)制備的納米復(fù)合材料性能優(yōu)良，與純聚丙烯相比，拉伸強(qiáng)度提高了 20 40%，斷裂伸長(zhǎng)率提高了 20 30%，熱分解溫度提高了 20 40°C。5.本專(zhuān)利技術(shù)方法簡(jiǎn)單，操作方便，易于エ業(yè)化生產(chǎn)，成本低廉，廢料可回收再用。附圖說(shuō)明: 圖1是由氧化石墨烯制備高分散烷基化石墨烯的原理圖。圖2是實(shí)施例1得到的 未改性石墨烯在ニ甲苯(a)和高分散烷基化石墨烯在ニ甲苯(b)中超聲并靜置24小時(shí)后的分散圖片。圖3是實(shí)施例1得到的未改性石墨烯/聚丙烯(a)與高分散烷基化石墨烯/聚丙烯(b)在液氮中脆斷斷面的掃描電子顯微鏡圖。圖4是實(shí)施例1得到的純聚丙烯和高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的熱重分析圖。圖5是實(shí)施例1得到的純聚丙烯和高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。 具體實(shí)施方式: 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行更詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1第一歩，即石墨烯的烷基化修飾:將Ig氧化石墨烯和Ig十八烷基胺分別溶解于去離子水和こ醇中，分別超聲分散40分鐘，超聲頻率為40赫茲；然后將上述氧化石墨烯和十八烷基胺混合，在磁力攪拌下反應(yīng)6小時(shí)，攪拌速度為400轉(zhuǎn)/毎分鐘，反應(yīng)溫度為60°C ;隨后加入氨水和水合肼作還原劑，90°C下反應(yīng)3小時(shí)；最后抽濾，產(chǎn)物用こ醇反復(fù)洗滌以除去多余的表面改性劑，在烘箱中4°C干燥10小吋，即得高分散烷基化修飾的石墨烯，制備原理圖見(jiàn)圖1 ;未改性石墨烯含氧基團(tuán)較少，在有機(jī)溶劑中二甲苯中靜止24小時(shí)后沉積[見(jiàn)圖2 (a)]，本專(zhuān)利技術(shù)制備的烷基化石墨烯具有較好的親油性，在ニ甲苯中靜止24小時(shí)后仍分散良好，無(wú)聚集現(xiàn)象[見(jiàn)圖2 (b)]。第二歩，即高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的制備:稱(chēng)取聚丙烯2kg和占聚丙烯0.lwt%高分散烷基化石墨烯即2g，在高速攪拌機(jī)中混合10分鐘，主軸轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/每分鐘；然后將混合均勻的聚丙烯和高分散烷基化石墨烯加入雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合，螺桿轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分鐘，在200°C下熔融混煉；所得熔體由雙螺桿擠出后，經(jīng)水槽冷卻并引入切粒機(jī)進(jìn)行切粒操作，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速10轉(zhuǎn)/分鐘，所得粒料即為本專(zhuān)利技術(shù)的高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料。未改性的石墨烯在聚丙烯中團(tuán)聚明顯[見(jiàn)圖3 (a)]，高分散烷基化石墨烯在聚丙烯中分散良好，沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象[見(jiàn)圖3 (b)];相比純聚丙烯，高分散烷基化石墨烯/聚丙烯的起始分解溫度、最大分解溫度提高了 20 40°C [見(jiàn)圖4]，拉伸強(qiáng)度提高了20 40%，斷裂伸長(zhǎng)率提高了 20 30% [見(jiàn)圖5]。實(shí)施例2按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的十八烷基胺改成十二烷基胺，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例3按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的十八烷基胺改成聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例4按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的十八烷基胺改成八烷基胺，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例5按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的十八烷基胺改成正十二烷基三甲氧基硅烷，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例6按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的十八烷基胺改成十八烷基三甲氧基硅烷，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例7按實(shí)施例1 的制備方法，只是將所述的氧化石墨烯和十八烷基胺的反應(yīng)溫度由60°C降低為40°C，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例8按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的氧化石墨烯和十八烷基胺的反應(yīng)溫度由60°C提高至80°C，同樣得到如圖2、3、4、5所示的結(jié)果。實(shí)施例9按實(shí)施例1的制備方法，只是將所述的氧化石墨烯和十八烷基胺的反應(yīng)溫度由60°C提高至100°C，同本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制備高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：①石墨烯的烷基化修飾：將氧化石墨烯溶于水，將表面改性劑溶于溶劑中，分別超聲分散20分鐘～2小時(shí)，超聲頻率為20～100赫茲；然后將上述氧化石墨烯和表面改性劑混合，在磁力攪拌下反應(yīng)1～10小時(shí)，攪拌速度為20～1000轉(zhuǎn)/每分鐘，反應(yīng)溫度為20～120℃；隨后加入還原劑，60～150℃下反應(yīng)1～10小時(shí)；最后抽濾，產(chǎn)物用溶劑反復(fù)洗滌以除去多余的表面改性劑，在烘箱中20～120℃干燥2～20小時(shí)，研磨，即得高分散烷基化石墨烯；②石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的制備：稱(chēng)取聚丙烯和聚丙烯質(zhì)量0.05～5%的高分散烷基化石墨烯，在高速攪拌機(jī)中混合5～40分鐘，主軸轉(zhuǎn)速600～3000轉(zhuǎn)/每分鐘；然后將混合均勻的聚丙烯和高分散烷基化石墨烯加入雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合，螺桿轉(zhuǎn)速20～120轉(zhuǎn)/分鐘，在180～250℃下熔融混煉10～15分鐘；所得熔體由雙螺桿擠出后，經(jīng)水槽冷卻并引入切粒機(jī)進(jìn)行切粒操作，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速2～20轉(zhuǎn)/分鐘，所得粒料即為本專(zhuān)利技術(shù)的高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種制備高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的方法，包括以下步驟: ①石墨烯的烷基化修飾:將氧化石墨烯溶于水，將表面改性劑溶于溶劑中，分別超聲分散20分鐘 2小時(shí)，超聲頻率為20 100赫茲；然后將上述氧化石墨烯和表面改性劑混合，在磁力攪拌下反應(yīng)I 10小時(shí)，攪拌速度為20 1000轉(zhuǎn)/每分鐘，反應(yīng)溫度為20 120°C;隨后加入還原劑，60 150°C下反應(yīng)I 10小時(shí)；最后抽濾，產(chǎn)物用溶劑反復(fù)洗滌以除去多余的表面改性劑，在烘箱中20 120°C干燥2 20小時(shí)，研磨，即得高分散烷基化石墨烯； ②石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的制備:稱(chēng)取聚丙烯和聚丙烯質(zhì)量0.05 5%的高分散烷基化石墨烯，在高速攪拌機(jī)中混合5 40分鐘，主軸轉(zhuǎn)速600 3000轉(zhuǎn)/每分鐘；然后將混合均勻的聚丙烯和高分散烷基化石墨烯加入雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合，螺桿轉(zhuǎn)速20 120轉(zhuǎn)/分鐘，在180 250°C下熔融混煉10 15分鐘；所得熔體由雙螺桿擠出后，經(jīng)水槽冷卻并引入切粒機(jī)進(jìn)行切粒操作，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速2 20轉(zhuǎn)/分鐘，所得粒料即為本發(fā)明的高分散烷基化石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料。2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于加入的表面改性劑為烷基氨類(lèi)如十八烷基胺、十...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王賢保，楊旭宇，楊佳，萬(wàn)麗，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：湖北大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：