[发明专利]基于石墨烯与聚乙烯的多功能管材及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及管材技术领域，特别涉及基于石墨烯与聚乙烯的多功能管材及其制备方法。

【背景技术】

聚乙烯凭借其优良的力学性能、耐低温性能、化学稳定性和耐酸碱腐蚀性成为世界上产量最大以及应用最为广泛的合成塑料之一。目前，随着各大海绵城市的建设、地下管廊管网工程、“西气东输”等重大工程的实施，作为连结油气等资源和人们日常生活的纽带，管道运输以其高效低耗、安全可靠的优势，愈加受到人们的重视。随着当前管道市场的发展，聚乙烯管材的使用领域日益广泛。由于聚乙烯存在着机械强度不高的缺陷，导致聚乙烯管材的使用范围受限，通常通过添加填料，制成复合材料或者模压材料以提高其机械强度。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、稳定性和延展性。张晓华等(材料科学与工艺，2016，24(5)：85-90)采用溶液共混发制备超高分子量聚乙烯和石墨烯纳米复合材料，以提高材料的热稳定性。缺点：反应温度高，反应程度过于激烈，容易发生反应不完全的问题，且上述研究均没有解决在高温高湿、高辐射的极端条件下聚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防辐射、稳定力学性能的聚乙烯管材，对于拓展聚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。高压电脉冲处理技术由于其能高效对材料产生高速剪切应力、冲击材料内部结构等优点，使其广泛应用在材料的解堵、增渗和改变物料界面状态等方面。赵海龙等(油田化学，1998，15(2)、113-115)采用高压电脉冲技术处理油层间的堵塞物质，利用脉冲放电释放出来的高能量密度，产生强大的冲击波，冲击沉积物，疏通管道。缺点：以脉冲产生的冲击波只单纯的使用外力促使材料的内部结构被打松散，并不能在材料的内部结构中产生键能作用，限制了使用范围。王长明等(高等学校化学学报，2010，31(6)、1252-1256)采用超临界二氧化碳制备超高分子量聚乙烯多孔微球，利用超临界二氧化碳的发泡技术，使聚乙烯微球的表面形成表面多孔、内部中空的结构，提高聚乙烯晶体结构的稳定性。缺点：只研究超临界状态下单物料成分的结构状态，未研究多物料成分的结构状态及相互作用。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种耐高温、防辐射、在高温高湿条件下具有优异力学性能的基于石墨烯与聚乙烯的多功能管材及其制备方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于石墨烯与聚乙烯的多功能管材，按重量份数计，包括以下原料：聚乙烯树脂40-90份、石墨烯1-15份、酚醛树脂30-120份、阻燃剂1-35份、氢氧化铝10-50份、硅系材料10-50份、镁盐晶须1-25份、玻璃纤维3-6份、甲基乙烯基硅橡胶70-90份、气相白炭黑5-30份、煅烧陶土0.05-10份、刚玉粉0.05-15份、环氧树脂10-50份、季戊四醇硬脂酸酯0.1-3份、苯氧基聚磷腈弹性体10-40份、阻燃母料10-30份、纳米氮化硅0-10份、抗氧剂0.5-5份、增容剂3-15份、丙烯1-10份、1-丁烯1-10份、1-己烯1-10份、硬脂酸1-2份、微晶石蜡0.05-10份和氧化锌0.05-5份。

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10-25％、氢氧化镁0.05-10％、氢氧化铝0.05-10％、二氧化硅1-25％、玻璃纤维5-30％、聚乙烯蜡1-6％、高压聚乙烯25-55％和石墨烯0.05-5％。

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。