[发明专利]一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法，原料为石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂。本发明通过使用石墨烯微片来改善高密度聚乙烯的性能，制得了一种高密度聚乙烯复合材料，大大提高了复合材料的摩擦磨损性能和力学性能；该石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料成本低廉、化学稳定性高、易于加工成型实现大规模生产，在燃气输送、供水排污、农业灌溉以及邮电通讯等领域具有更加广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯微片（Graphene Nanoplatelets，简称为“GNPs”）是指碳层数多于10层、厚度在5-100nm范围内的超薄石墨烯层状堆积体。目前关于石墨烯作为增强填料改性高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，简称为“HDPE”）的研究较多，但以石墨烯微片作为增强填料改性HDPE的研究较少。相对于石墨烯，GNPs的制备过程更为简单且成本较低，并具有优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性，是一种理想的聚合物基复合材料增强体。

高密度聚乙烯又称低压乙烯，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，机械强度高，常用于制备塑料管材。与其它塑料管材（PVC、聚丙烯等）相比，高密度聚乙烯管材具有耐环境应力、耐开裂、抗蠕变性好、耐腐蚀、绝缘性能好等优点广泛地应用于燃气输送、供水排污、农业灌溉以及邮电通讯等领域。但目前的PE管材易磨损，耐磨性较差，大大降低了PE管材的使用寿命，造成资源的浪费。因此研究开发一种耐磨性能高的高密度聚乙烯管材的制备方法，十分重要和必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料及其制备方法，可提高复合材料的摩擦磨损性能和力学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料，所述复合材料包含的组分按质量份计为：高密度聚乙烯98~99.5份、石墨烯微片0.5~2份和硅烷偶联剂0.05~0.2份，所述硅烷偶联剂质量为石墨烯微片质量的10%。

进一步地，所述的石墨烯微片为碳层数大于10层的超薄石墨烯层状堆积体，其保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构；所述超薄石墨烯层厚度为5-100nm，该石墨烯微片的主要参数为：长度4.4-19.5μm，宽度2.3-9.4μm，厚度0.04-0.1μm，其在复合材料中分散程度和剥离程度非常高，片层间能彼此充分接触从而更有利于材料内部的应力传递，因此复合材料断面存在着更多的立体形貌，可以吸收更多的断裂能，从而材料的力学性能得到明显提高。

上述石墨烯微片/高密度聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将干燥至恒重的石墨烯微片、高密度聚乙烯和硅烷偶联剂按配比配制成各组分原料后机械混合均匀；

（2）熔融挤出：将混合均匀的原料加入到微型双螺杆挤出机中，在140℃温度下进行熔融共混，并在145℃温度下挤出；

（3）注射成型：将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为45～55℃，注射筒温度为215～225℃，注射压力为0.2～0.3MPa，保压压力为0.2～0.3MPa，注射时间为20s，合模时间为22s。

优选地，模具温度为50℃，注射筒温度为220℃，注射压力为0.25MPa，保压压力为0.25MPa。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用石墨烯微片而不是石墨烯作为增强填料，大大降低了高密度聚乙烯复合材料的成本，同时复合材料通过添加石墨烯微片，能够明显地提高HDPE材料的硬度和拉伸弹性模量，降低HDPE材料的摩擦系数和磨损率。