[发明专利]一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质、复合材料领域，更具体地，涉及一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乙烯(PE)是在各工业领域中均有广泛应用的一种热塑性树脂。聚乙烯按照密度可分为低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。LDPE又称为高压聚乙烯，成型加工性好，但是材质较软耐高温性不好。聚乙烯具有优良的电绝缘性能以及化学稳定性，无毒无味，常温下不溶于水，不易受一般的酸碱腐蚀。因此，近些年来，电力系统中的电能传输以及电力设备的绝缘材料大多是以聚乙烯为基体聚合物的，这一点在电力电缆中更为普遍。

然而，目前随着电力系统电压等级的提高以及对线路设备可以长期、稳定、安全运行的更高要求，单一的聚合物绝缘已经不能满足需求，人们需要对聚乙烯的性能进行改善，这对于生产生活和科学技术的发展均具有十分重要的现实意义。对于这一问题，研究的主要方向是在聚乙烯中加入添加剂，以达到改善其内部结构进而改善性能的目的。随着人们对微观尺度研究地深入，复合方式也从传统复合逐渐过渡到纳米级别的复合。研究发现，聚乙烯中掺入纳米级添加剂之后可以在不同方面改善其性能，这为解决电介质复合材料方面的问题提供了思路。

近年来，纳米级添加剂中被广泛研究的属于金属氧化物一类。例如：尹毅等人向聚乙烯中加入纳米二氧化硅，研究纳米复合材料在强场下的电导特性。实验结果表明：纳米二氧化硅的加入改变了复合材料的电导特性，强场下，聚乙烯的电导是以空间电荷限制电流理论为主。而纳米SiOx/LDPE复合材料主要以离子跳跃电导为主。氧化锌(ZnO)同样是一种典型的金属氧化物，具有一些独特的物理和化学性能，例如：氧化锌具有增白功能，可以在涂料和化妆品中用作增白剂；它也具有反射紫外线的能力，可以用做紫外线屏蔽剂；纳米ZnO具有纳米颗粒所特有的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、以及量子限域效应等。将其加入到聚乙烯中，会与聚合物基体之间形成非常复杂的界面结构，从而改变材料的电、热、机械等性能，这是纳米掺杂改性的理论基础。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种聚乙烯基纳米复合材料，以无机纳米材料改性聚乙烯，使基体聚乙烯的性能得到了提高；本发明还提供了上述复合材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：93.7～99.7wt％的聚乙烯、0～5wt％的改性后纳米氧化锌、0.3～1wt％的抗氧剂。

优选地，所述聚乙烯为低密度聚乙烯，颗粒状，密度分布为0.910～0.925mg/cm³，融化指数为2.1～2.2g/10min，熔点为105～112℃。

优选地，所述的纳米氧化锌的平均粒径为30nm，纯度99.9％。

优选地，所述改性剂为硅烷偶联剂，结构通式为YSi(OR)3，其中：Y为反应性有机基团，OR为可水解性基团。

优选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010(化学名称为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。

优选地，所述聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：96.7wt％的低密度聚乙烯、3wt％的改性后纳米氧化锌、0.3％的抗氧剂。

所述的一种聚乙烯基纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备改性的纳米氧化锌

首先称取一定量的纳米氧化锌粉末，于真空烘箱中80℃干燥处理24小时。之后将预处理后的纳米氧化锌粉末溶解在无水乙醇和水的混合液中(乙醇/水＝3/1)，用电力搅拌棒匀速搅拌20min，使之形成均匀的液体。然后向混合液中加入一定量的硅烷偶联剂，将溶液在60℃的恒温水浴中边超声振荡边搅拌。反应持续2h后，进行过滤、洗涤，利用真空烘箱干燥。之后研磨、过筛，得到改性后的纳米氧化锌粉末。

(2)制备聚乙烯基纳米复合材料

首先将步骤(1)中的改性后纳米氧化锌粒子放在80℃真空烘箱中干燥24小时，然后将纳米氧化锌粉末、低密度聚乙烯以及抗氧剂混合加入到开放式炼胶机中进行熔融共混20min，得到聚乙烯基纳米复合材料。

步骤(1)中的硅烷偶联剂用量为5％(以氧化锌质量计)。

步骤(2)中的开放式炼胶机两辊温度均为120℃，转速40r/min。

本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：