[发明专利]采用水辅助熔融混炼挤出制备聚丙烯/膨胀石墨复合材料的方法及其应用

说明书

本发明公开一种采用水辅助熔融混炼挤出制备聚丙烯/膨胀石墨复合材料的方法及其应用，使膨胀石墨(EG)较好剥离和分散，涉及高分子材料基复合材料及其制备技术领域。所采用的原料包括PP、马来酸酐接枝PP(PP‑g‑MA)和EG粉末。复合材料的制备方法是把三种原料预混后加入水辅助熔融混炼挤出设备中进行混炼挤出，借助计量泵把去离子水从注水口注入挤出机内熔体中进行混炼，水起促进EG剥离和分散并增强PP分子链与EG片层之间的相互作用，使制备的PP/EG复合材料中的热传导通道增加，并降低PP与EG片层之间的界面热阻，从而提高复合材料的热导率。本制备方法操作简单，不需对EG进行任何前处理。

技术领域

本发明涉及高分子材料/膨胀石墨复合材料及其制备技术领域，特别涉及一种在水辅助熔融混炼挤出过程中实现膨胀石墨较好的剥离和分散以制备性能优良的聚丙烯/膨胀石墨复合材料的方法及其应用。

背景技术

高分子材料具有来源广泛、易加工成型、成本较低等优势点，因而得到广泛应用。但高分子材料的热导率一般较低，这限制其在电子封装、微型电路等领域的应用。目前，主要通过向高分子材料中添加高热导填料提高其导热性能。对高分子材料基复合材料，填料的分散状态是决定性能的关键因素。膨胀石墨(EG)呈现二维层状结构，具有高的导热、导电和强度以及低的价格等特点，在材料和电子等领域有广泛的应用前景。然而EG具有较大的比表面积，且片层之间存在较强的范德华力，这些不利于其在高分子材料中的剥离和分散。

通常采用溶液混炼和熔体混炼的方法制备高分子材料/EG复合材料。其中溶液混炼法可使EG较好地分散在高分子材料基体中，但要使用有机溶剂，且不能连续、批量制备复合材料，因此该方法难用于工业化生产。采用熔融混炼方法制备高分子材料/EG复合材料不使用有机溶剂，具有制备简单、周期短和成本低等优点。然而普通的熔融混炼方法难以使EG在高分子材料基体中良好地剥离和分散。为此，研究人员通常在熔融混炼之前对EG进行处理以得到剥离良好的EG。前处理方法有溶液法、机械剥离法和快速热膨胀法等。这些前处理方法使复合材料的制备过程复杂、周期较长，难用于工业化生产。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种利用水辅助熔融混炼挤出制备聚丙烯(PP)/膨胀石墨(EG)复合材料的方法及其应用，可实现EG在PP基体中较好的剥离和分散，同时可连续化生产PP/EG复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。

采用水辅助熔融混炼挤出制备聚丙烯(PP)/膨胀石墨(EG)复合材料的方法，包括如下步骤。

(1)把PP和马来酸酐接枝PP(PP-g-MA)粒料以及EG粉末预混后加入水辅助熔融混炼挤出设备的挤出机中，进行混炼挤出；

(2)调整挤出加工参数(包括喂料量、螺杆转速和挤出机机筒各段温度)，使挤出机注水段内的熔体压力提高到可以保持注入的水在高温下为液态时，借助计量泵以一定流量把去离子水从注水口注入挤出机内的熔体中；

(3)注入的水增强了PP分子链与EG片层之间的相互作用，在挤出机螺杆的混炼以及水的溶胀、塑化和汽化等效应的共同作用下，EG被膨胀、剥离后良好地分散在PP熔体中；

(4)水在挤出机排气段汽化形成水蒸气，由真空泵从排气口抽走，在机头出口处挤出制得EG被较好剥离和分散的PP/EG复合材料。

作为一种优选，水辅助熔融混炼挤出设备包含一台单螺杆挤出机或双螺杆挤出机、一套注水装置和一台真空泵。

作为一种优选，去离子水注入量与PP材料加入量的质量比为1:20～1:1；PP材料与EG粉末的质量比为100:1～100:30。

作为一种优选，挤出机的螺杆转速为20～500r/min，机筒温度为100～300℃。

作为一种优选，注入去离子水时挤出机注水段内熔体压力稳定后不低于2MPa。