[发明专利]矿用型石墨烯、炭黑、聚乙烯复合管材及其制备方法

说明书

本发明提供一种矿用型石墨烯、炭黑、聚乙烯复合粒子，各组分按重量份计，包括：高密度聚乙烯100份、石墨烯0.1～2份、炭黑1～10份、阻燃剂4～15份、分散液0.5～3份、成核剂0.5～4份、增韧剂2～10份、抗氧剂0.5～4份。本发明还提供了矿用型石墨烯、炭黑、聚乙烯复合粒子的制备方法和用途。本发明制备而得的石墨烯/聚乙烯拉伸强度可达25MPa、断列伸长率可达402％。其力学性能完全可以达到煤矿行业标准MT558.1‑2005中GB/T8804‑2003《热塑性塑料管材拉伸性能测定》：拉伸强度≥9MPa、断裂伸长率≥300％。

技术领域

本发明涉及一种高效矿用型管材材料及其制备方法，属于高分子材料技术及加工领域。

背景技术

聚乙烯(PE)管材具有耐腐蚀性好、使用寿命长、质量轻、施工方便等优点，被广泛应用于各个领域，尤其在煤矿业中的使用。但煤矿井下用的PE管材在防静电和阻燃性能方面的要求极其苛刻，并且需要具有良好的机械力学性能。

目前，关于抗静电阻燃性矿用聚乙烯管材的相关文献也有报道。CN 104277279 A公开了一种阻燃抗静电聚乙烯管材及其制作方法，将20wt％～40wt％的导电炭黑添加至高密度聚乙烯基体中，在偶联剂等助剂作用下，达到抗静电作用。高添加量炭黑导致管材拉伸及断裂伸长率等力学性能严重下降，相比纯PE管材而言，断裂伸长率下降了50％～60％，需要添加适量增韧剂弥补拉伸韧性的不足。同时复材熔体黏度变高，管材挤出过程中出现扭矩过大，挤出不稳等现象。高添加量的炭黑还会使管材质重壁厚，表面粗糙，满足不了矿用井下管材的需求；CN104151664B公开了一种用石墨烯改性的聚乙烯复合管材的制备方法，利用改性的石墨烯粉体制备出石墨烯/聚乙烯母粒，再用1-100重量份的石墨烯/聚乙烯母粒与100重量份数的聚乙烯复合管材料搅拌均匀后，加入到塑料管材挤出机中制得用石墨烯改性聚乙烯复合管材。该项技术中，首先石墨烯用大量的表面活性剂进行改性处理，处理过程采用超声分散，再次该项技术中得到的石墨烯/聚乙烯母粒不能直接作为管材材料，需要进一步的有机高分子稀释工艺，才可以作为管材材料。工艺过程复杂、成本高，且超声分散由于其噪声污染导致大规模生产受限。CN102010540B和CN102775669A分别公开了用于矿用阻燃聚乙烯的抗静电组成物和可膨胀阻燃型煤矿井下用聚乙烯管材，两篇专利利用石墨分别作为导电填料和阻燃剂，所制备的抗静电和阻燃性符合矿用标准，缺陷是添加量较大，性能提升不明显；CN104262740A公开了一种高密度聚乙烯管材，利用螺杆挤出机制备出石墨烯粉体改性的高密度聚乙烯管材，但是高品质的石墨烯粉体比表面积较大，密度小，且其石墨烯的添加量较大，直接螺杆挤出共混石墨烯粉体不易加入塑料体系中，造成分散较差，最终生产的管材的表面电阻在1.0×10⁶Ω以上，不符合煤矿用管材标准。

石墨烯(Graphene)严格的定义是一种由碳原子以sp²杂化方式形成的二维平面结构。随着石墨烯生产制备中工艺的不同，以及为了实现在工艺中得到不同性能的石墨烯产品，本公开中的石墨烯C原子上可能会接有极少量的含氧基团，或者由多层二维平面结构的石墨烯堆叠在一起形成的多层结构的石墨烯产品。石墨烯是目前已知室温下导电最好的材料，其电子迁移率可达到2×10⁵cm²/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍，电阻率可达10^-8Ω·m，比铜和银更低。石墨烯比传统导电填料具有更加优异的电学性能，将其作为新型导电填料引入粉末涂料，势必可以制备导电性能更加优异的导电粉末涂料。

现有技术中所列明的技术内容仅代表发明人所掌握的技术，并不理所当然被认为是现有技术而用于评价本发明的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种石墨烯添加量小、成本低的矿用型石墨烯、炭黑、聚乙烯复合粒子及其制备方法。

本发明的另一目的是提供用上述粒子直接挤压成材的矿用型石墨烯、炭黑、聚乙烯复合管材及其制备方法。