[发明专利]基于系列爆炸效应的石墨烯填充体系共混加工方法

说明书

涉及基于系列爆炸效应的石墨烯填充体系共混加工方法，将石墨烯填充体系加入到体积脉动塑化输运装置中，使石墨烯填充体系体积在轴向和径向呈交替周期性变化，进行周期性压缩释放，产生系列爆炸效应，从而剥离和分散石墨烯，增加聚合物基体自由体积，并使石墨烯插层聚合物基体自由体积中。特别的，可以引入临界介质到石墨烯填充体系中，增强系列爆炸效应。本发明利用石墨烯填充体系体积压缩释放产生的物理作用力增加聚合物基体自由体积，剥离分散石墨烯，具有绿色环保等优点；本发明实现了石墨烯剥离分散与共混加工相结合的连续过程，具有简单，高效等优点，可应用到石墨烯复合材料制品的大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及高分子材料成型加工技术领域，尤其涉及基于系列爆炸效应的石墨烯填充体系共混加工方法。

背景技术

近年来，利用石墨烯与高分子材料共混制备得到的纳米复合材料表现出了优异的导电、导热、力学等性能，具有广阔的应用前景。然而，由于石墨烯纳米片层的厚度仅为一个碳原子直径，使得片层与片层之间容易通过范德华力而发生堆砌，导致聚合物纳米复合材料中的石墨烯片层容易发生团聚现象，从而削弱、限制了石墨烯的作用效果。尤其对于非极性聚合物基体而言，例如聚丙烯、聚乙烯等，由于石墨烯所含有的碳共扼双键与这类材料相互作用较弱，更容易导致石墨烯片层在其基体中发生团聚。研究发现，利用石墨烯片层结构上的羧基、羟基和环氧基等含氧基团，对其进行共价修饰和非共价修饰，或对聚合物基体进行改性可以有效的改善石墨烯与聚合物基体间的相互作用，从而提升其在基体中的分散。然而，这些改性方法，都会涉及到有机化学反应，具有耗时长、效率低、需要有机溶剂、不同程度上破坏了石墨烯原有结构等缺点。为了充分发挥石墨烯的作用效果，制备具有高分散的聚合物石墨烯纳米复合材料显得至关重要。

现今，主要的复合纳米填料和聚合物的方法有三种：原位聚合，溶液混合和熔融共混。原位聚合、溶液混合，这两种方法无疑再次增加了石墨烯纳米复合材料的制造成本和工艺复杂性。在这些方法中熔融共混是最贴近于工业应用的，然而石墨烯填充体系黏度高，难以加工，且石墨烯在聚合物基体中难于分散均匀。传统的熔融共混加工方法利用强剪切作用分散石墨烯，容易破坏石墨烯原有的片状结构。

公布号为CN107298440A的专利，将膨胀石墨与分散剂混合得到混合物，加入螺杆机中，通入超临界二氧化碳并逐级渗入石墨的层间。螺杆的剪切使石墨处于活化状态，然后在螺杆机头快速泄压，利用超临界流体制备并分散石墨烯。这种方法利用螺杆剪切初步分散石墨，容易破坏其片层结构。而且在螺杆的剪切碳化段温度设置较高，不利于节约能耗。

公布号为CN107226467A的专利，将石墨分散于聚合物中，并用密炼机对聚合物进行熔融密炼拉伸，同时施加超临界流体，膨胀石墨的层间受到超临界流体渗透，在密炼机中膨胀石墨因受聚合物剪切、拉伸、分散，在超临界流体渗透作用下快速将膨胀石墨原位剥离为石墨烯，并分散于聚合物中。密炼结束后，缓慢泄压至常压，利用超临界流体制备并分散石墨烯。整个熔融混合过程在密炼机中进行，有很强的剪切作用，容易破坏分离后的石墨烯片层结构，而且使整个聚合物复合材料的制备过程为间歇式过程，不具有长时间连续性，而且一次生产周期的产量由密炼机容腔容量决定。

针对传统熔融共混加工方法无法良好分散石墨烯，容易破坏石墨烯片层结构，难以加工石墨烯填充体系的不足，利用体积脉动塑化输运特性，研究出一种具有高效、环保，塑化输运效果好、石墨烯分散程度高等优点的石墨烯填充体系共混加工方法，对高分子材料加工成型具有重要意义。

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：基于体积压缩释放产生的爆炸效应剥离分散石墨烯，提供一种高效、环保、简单的基于系列爆炸效应的石墨烯填充体系共混加工方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：