[发明专利]一种石墨烯增强矿用聚乙烯组合物、粒子、管材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯增强矿用聚乙烯组合物、粒子、管材及其制备方法。该组合物包括高密度聚乙烯、石墨烯、导电填料、阻燃剂、分散液、成核剂、增韧剂、抗氧剂和偶联剂乙醇溶液，解决了现有矿用聚乙烯材料导电填料添加量过大的问题，克服了现有石墨烯的添加量大分散性差的缺陷，克服了现有技术采用超高分子量聚乙烯加工困难且容易产生熔融缺陷的问题。由该组合物得到的石墨烯增强矿用聚乙烯粒子和管材兼具优异的抗静电、阻燃和力学性能，拉伸强度可达23MPa，断裂伸长率可达380％，管材的表面光滑、质轻、壁厚较低，加工方便，符合矿用管材的标准。

技术领域

本发明属于高分子材料技术及加工领域。具体涉及一种石墨烯增强矿用聚乙烯组合物、粒子、管材及其制备方法。

背景技术

聚乙烯(PE)作为五大通用热塑性塑料之一，具有原料丰富、价格低廉、用途广泛、加工方便等突出特点，广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输和包装等行业。近年来，PE在矿用管材领域发展迅速，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，并且需要具有优异的机械力学性能。

传统方法通过添加一定量的导电填料和阻燃剂达到抗静电和阻燃效果，如导电填料(膨胀)石墨、导电炭黑、导电高分子聚合物等加入到PE中已经获得了大量的研究，但需要高添加量才能获得导电性能较好的组合物，同时会导致管材力学性能降低明显。因此，如何开发兼具高强高韧和抗静电性能的PE管材显得尤为重要。

目前，关于增强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20～40wt％的导电炭黑添加至高密度聚乙烯(HDPE)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力学性能严重下降，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。高添加量的导电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。

CN106867076A公开了《一种矿用石墨烯增强超高分子量聚乙烯双抗管材制备方法》，组分中包括100份超高分子量聚乙烯粉末、2～5份纳米石墨烯片、6～10份无卤阻燃剂、3～6份抗静电剂和诸多助剂。先将石墨烯片与偶联剂的乙醇溶液混合物用高速剪切分散处理，得到石墨烯浆液，再向石墨烯浆液中加入超高分子量聚乙烯粉末及诸多助剂进行混合处理、抽滤，抽滤后的预混物料再利用高速混合机和单螺杆挤出设备制备出矿用管材。该项专利中，采用向石墨烯浆料中加入粉末态的超高分子量聚乙烯，超高分子量聚乙烯的粉末形貌残留容易形成熔融缺陷(由于粉末的不完全固结)，例如孔蚀、脱层和宏观聚合物分解等，进而显著影响制品的最终性能(需要延长加工时间或提高加热温度才能改善)。根据该项专利文件中的记载，所得石墨烯管材拉伸强度23～29MPa，相比纯超高分子量聚乙烯28～35MPa而言，下降了20％以上，并没有突显出石墨烯在超高分子量聚乙烯体系中的机械性能的增强效果。另外，该项技术中，石墨烯添加量较大(石墨烯占超高分子量聚乙烯的2-5wt％)，成本较高。

201020543607.1公开了《一种煤矿井用钢带骨架聚乙烯复合管》，以聚乙烯为内外层基体材料，以表面涂敷高性能粘接树脂，将弯曲成型的钢带粘附在涂敷有粘接树脂的内外层聚乙烯基体材料之间。该专利没有明确提供阻燃、抗静电数据。同时也没有解决刚--塑两相的界面差的问题，容易产生“脱层”现象，防震防断裂性能不够。

综合上述现有技术的分析可知，大量的导电填料如导电炭黑等的添加对聚乙烯管材本身的力学性能如拉伸强度、韧性影响较大，会使聚乙烯管材力学性能造成一定幅度的下降，同时会使管材体系黏度过高，进而需要较高的加工温度和较长的加工时间，会破坏管材基体和填料的结构，管材挤出过程中出现扭矩过大，挤出不稳等现象，还会使管材质重壁厚，表面粗糙，不能满足矿用井下管材的需求。