[发明专利]一种聚乙烯电熔管件或管材用改性石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及聚乙烯电熔管道材料领域，尤其涉及一种聚乙烯电熔管件或管材用改性石墨烯及其制备方法和应用。该改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：以氧化石墨烯和2‑溴异丁酰溴为反应原料，进行取代反应，获得溴化石墨烯；以乙烯和3‑丁烯‑1‑胺为接枝单体，对溴化石墨烯进行ATRP反应，获得氨基化聚乙烯改性石墨烯；以氨基化聚乙烯改性石墨烯和2‑溴异丁酰溴为反应原料，进行取代反应，获得溴化聚乙烯改性石墨烯；以乙烯为接枝单体，对溴化聚乙烯改性石墨烯进行ATRP反应，获得改性石墨烯。上述制备方法能够在石墨烯上接枝上具有长支链结构的聚乙烯，从而提高石墨烯与基体之间的结合力，进而使管道的耐压强度得到较大程度的提升。

技术领域

本发明涉及聚乙烯电熔管道材料领域，尤其涉及一种聚乙烯电熔管件或管材用改性石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

聚乙烯(PE)电熔管件通过在管件内预先布置电阻丝，利用电阻丝通电时产生的热量使周围的聚乙烯熔化，将管材外壁与电熔管件熔融连接在一起，冷却固化后形成电熔接头。 PE电熔管件以其突出的综合性能优势，已经在天然气和给排水等管道输配领域得到广泛应用。但由于PE材质本身的局限性，其抗拉强度有限，仅能应用于1.6MPa及以下压力的给水管道，以及0.8MPa及以下压力的天然气管道，大大限制了其应用范围，且为了保证耐压强度，其产品壁厚很厚，材料耗用量巨大。

通过在PE材料中添加石墨烯，能够提高管道的耐压强度，但石墨烯与聚乙烯之间的相容性较差，易出现堆积团聚现象，限制了其对PE管道耐压强度的改善。专利CN201910604942.3公开了一种耐腐蚀聚乙烯通信管及其制备方法，该通信管以高密度聚乙烯作为基体材料，并采用经过臭氧氧化的低分子量聚乙烯，对经低温等离子体处理后的填充剂 In₂O₃/CNTs/石墨烯进行改性，能够将低分子量聚乙烯共价接枝到In₂O₃/CNTs/石墨烯表面，使得该填充剂能够更好地与高密度聚乙烯基体材料融合，并增强两者之间的结合力，不过，直链聚乙烯与基体材料之间能够形成的交联强度有限，难以大幅度提升PE管道的耐压强度。

发明内容

为了解决PE管道耐压强度较低的技术问题，本发明提供了一种聚乙烯电熔管件或管材用改性石墨烯及其制备方法和应用。采用本发明中改性石墨烯的制备方法，能够在石墨烯上接枝上具有长支链结构的聚乙烯，从而提高石墨烯与基体之间的结合力，进而使管道的耐压强度得到较大程度的提升。

本发明的具体技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种聚乙烯电熔管件或管材用改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成引发剂：以氧化石墨烯和2-溴异丁酰溴为反应原料，进行取代反应，获得溴化石墨烯；

(2)接枝氨基化聚乙烯：以乙烯和3-丁烯-1-胺为接枝单体，对溴化石墨烯进行原子转移自由基聚合反应，获得氨基化聚乙烯改性石墨烯；

(3)合成引发剂：以氨基化聚乙烯改性石墨烯和2-溴异丁酰溴为反应原料，进行取代反应，获得溴化聚乙烯改性石墨烯；

(4)接枝聚乙烯长支链：以乙烯为接枝单体，对溴化聚乙烯改性石墨烯进行原子转移自由基聚合反应，获得改性石墨烯。

上述步骤中，制备改性石墨烯的机理如下：在步骤(1)中，利用氧化石墨烯中的羟基，与2-溴异丁酰溴发生取代反应，将-COC(CH₃)₂Br接枝到氧化石墨烯上，构成原子转移自由基聚合(ATRP)反应的引发活性中心；步骤(2)中，通过ATRP反应，乙烯和3-丁烯-1- 胺以共聚物的形式接枝到溴化石墨烯上，构成聚乙烯主链，3-丁烯-1-胺能够在其分子链上引入氨基，用于后续长支链的接枝；步骤(3)中，2-溴异丁酰溴与聚乙烯主链上的氨基发生取代反应，从而在聚乙烯主链上形成多个ATRP反应的引发活性中心；步骤(4)中，通过ATRP 反应，能够在聚乙烯主链上合成聚乙烯长支链。