[发明专利]含均分散石墨烯的阻氧型聚丁烯管材及其制备方法

说明书

本发明涉及碳纳米复合材料高性能化与功能化技术领域，尤其涉及一种含均分散石墨烯的阻氧型聚丁烯管材及其制备方法。石墨烯增强聚丁烯管材包括聚丁烯树脂、石墨烯、第二阻氧填料、石墨烯表面处理剂、石墨烯包覆剂、稳定剂和抗氧剂，采用“一锅法混炼”和“熔融共混”相结合的技术路线，保证了纳米复合材料的清洁化、连续化、规模化生产，可在现有常规加工设备上快速实现工业化、低成本生产。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯功能复合材料，尤其涉及一种含均分散石墨烯的阻氧型聚丁烯管材及其制备方法。

背景技术

聚丁烯具有优良的抗蠕变性、耐环境应力开裂性、柔韧性、抗冻耐热性、热伸缩性和耐久性，被誉为“黄金塑料”，并且易加工、易成型、易连接，而大量应用于管材行业。聚丁烯管材具有重量轻、安装便捷、介质传输过程中压力损失少等优点，在化工、建筑和市政等领域有广泛应用。但是，聚丁烯管材的渗氧性偏高，并且随着温度的升高，聚丁烯管材的渗氧缺陷就越发突出，导致管道内的热水中的含氧量随着温度的升高而增加。另一方面，聚丁烯管材在高氧气含量的环境下也会加速老化，使用寿命降低。所以，为了防止聚丁烯管材老化，延长使用寿命，提高阻氧性能尤为重要。同时，阻氧可以防止分水器、阀门、卫浴散热器锈蚀，也可以阻止系统内结垢、细菌藻类繁殖，阻止生物粘泥产生。据有关技术资料显示：在水温为40 ℃，渗氧量大于0.1 g/m3∙day时，将对系统中的金属加热器、金属阀门、管件、散热器、水泵等产生严重的腐蚀。所以，在欧洲，热水系统中（采暖、空调、地暖等）大量采用的是阻氧型的塑料管材。在采暖管道领域里，美国、欧洲和澳大利亚均强制要求在地板采暖工程中采用防渗氧的加热塑料管道。

为此，天津军星管业集团有限公司的夏成文等人公开了一种采用三层共挤生产含有LCP阻氧层的聚丁烯管材（中国发明专利，公开号CN102927379A）：在聚丁烯管材表面涂覆一层高阻氧的LCP，且两层之间用一层热熔胶将聚丁烯管材与LCP紧密粘连。这种成型方法存在原材料成本高、加工方式复杂、管材性能难调控等缺陷，而限制聚丁烯管材的更大规模应用。相似地，天津中财型材有限责任公司的王景旺等人公开了一种高导热防结垢阻氧地暖管（中国发明专利，公开号CN106633302A）：采用内层、外层、粘接胶层和阻氧层的五层共挤成型方法，并在内层添加0-1份改性氧化石墨烯和5-10份含氟聚合物，在外层添加1-10份改性氧化石墨烯，在粘接胶层添加0.5-0.8份改性氧化石墨烯。可见，这种多层共挤工艺的复杂程度高，各层组分调控要求高，对管材成型加工造成较大的困难，反而限制了聚丁烯管材的应用范围。

近年来，石墨烯作为新型的片状纳米填料越来越受关注，因其极高的阻隔性能、优异的力学强度和极高的表面活性，在功能复合材料领域展现出了良好的应用前景。另一方面，石墨烯的表面能较高，纳米片之间的相互作用力较大、团聚较为严重，难以在聚丁烯基体中获得有效的剥离和均匀的分散。针对这一问题，广州特种承压设备检测研究院的黄国家等人采用溶液法制备石墨烯/聚丁烯复合材料（中国发明专利，公开号CN108586955A），获得了含石墨烯（0.1‒40份）的聚丁烯（80‒120份）复合材料，但该方法使用了大量的有毒有害试剂（用于分散石墨烯的醇类或酮类，用于分散聚丁烯的苯类），而超声分散过程需要消耗大量的时间和能量，面临较大的环保压力和生产成本而难以实现工业化生产。

现有技术的缺点：

1、为了解决聚丁烯管材透氧率过高的问题，行业内一般采用三层/五层共挤的成型方法，将EVOH阻氧层均匀复合于聚丁烯管材内，但存在原材料成本高、成型工艺复杂、阻氧性能衰减严重等不足，限制了阻氧型聚丁烯管材的更广应用。

2、常规无机填料的密度高、表面活性低，需要添加较高的质量份数才能获得较明显的阻氧性能提升，往往造成生产成本的增加和复合材料力学性能、耐液压性能的劣化。

3、石墨烯纳米片的比表面积大、阻隔性能优异，但不易在聚合物基体中充分剥离、均匀分散，从而难以形成稳定有效的气体阻隔网络。