一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法技术

一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法，由聚乙烯基体、改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体、填料、增韧剂和添加剂在混料机中混合均匀后，经过注塑机注塑得到最终产品，其中，所述的改性石墨烯为氧化石墨烯经六氯环三磷腈处理，所述的协效增强体由碳纳米管和改性二氧化钛混合而成，所述的填料由改性玻璃纤维和改性纳米二氧化硅组成，通过改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体和填料间协同作用，制得石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料。本发明专利技术制备工艺简单，采用的添加料成分对环境无污染，制得的聚乙烯复合材料满足力学强度的要求下，兼具阻燃功效，扩大了聚乙烯的使用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法
本专利技术属于聚合物复合材料领域，具体说的是一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法。
技术介绍
聚乙烯作为通用塑料已经被广泛应用于工业、农业、医疗、卫生等包装和日常生活的各个领域中，是目前世界高分子材料中用量最大、增长速度最快的一类产品，主要是由于其原料来源多、价格低、材料性能优良、电绝缘性和化学稳定性好，同时又具有易于加工成型的优点。虽然聚乙烯优点较多，但也有其不足，主要表现为韧性、耐低温、耐老化性能较差，且成型收缩率大、易燃烧，同时由于其非极性的特点，使其与其它极性聚合物、无机填料的相容性较差，从而限制了作为注塑、纤维、薄膜等制品的原料或专用料的应用。因此，为了拓展PP的应用领域，必须对聚乙烯进行改性，提高其性能。石墨烯作为近年来发现的二维碳素晶体，具有突出和优异的导热性能和力学性能，其纳米结构也十分独特，石墨烯具有较大的比表面积，少量的加入量就可以对聚合物基体性能产生显著的影响。然而石墨烯表面又呈惰性状态，与其他介质的界面相容性较差，且石墨烯层与层之间有较强的范德华力，相互间容易产生聚集，石墨烯增强聚合物复合材料性能的提高依赖于界面结合强度的提高，控制界面结合强度的最关键的因素是对石墨烯进行表面处理，增加石墨烯表面有效官能团，通过表面处理方法引入不同的官能团，从而有效提高石墨烯与树脂的界面结合。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中聚乙烯复合材料阻燃和增强效率低，或者不能同时兼具阻燃和增强双功能特性的问题，提供一种通过改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体和填料间协同作用，进而提出一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案为：一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，由聚乙烯基体、改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体、填料、增韧剂和添加剂制成，按重量比，聚乙烯基体55-65份、改性石墨烯3-5份、硅磷复配阻燃剂13-16份、协效增强体13-20份、填料10-15份、增韧剂5-8份和添加剂1-3份；所述的改性石墨烯为氧化石墨烯经六氯环三磷腈处理，二者重量比为1:10-15；所述的硅磷复配阻燃剂粒径为5-10微米；所述的协效增强体由碳纳米管和改性二氧化钛按照重量比1:10-13混合而成，其中，所述碳纳米管为改性多壁碳纳米管，其改性步骤为首先将多壁碳纳米管用体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混酸浸泡24h，用去离子水洗去表面残余酸，再用高锰酸钾溶液氧化处理12h，然后用去离子水冲洗干净、烘干；所述的填料由重量比5:2的改性玻璃纤维和改性纳米二氧化硅组成，其中改性玻璃纤维由市售玻璃纤维与其重量10-15％表面改性剂混合而成，所述的表面改性剂由KH560和DOPO按照重量比1-2:5-6的比例混合而成，所述改性纳米二氧化硅为市售纳米二氧化硅与其重量3-4％的表面处理剂混合得到，所述表面处理剂由苯酚和KH550按照重量比1-2:30的比例混合而成。所述的聚乙烯基体为低密度聚乙烯和高密度聚乙烯按照重量比1:3混合而成。所述的改性石墨烯，(1)将氧化石墨烯置于去离子水中，二者比例为1g/10mL，超声处理1h，然后用二乙醇胺和稀盐酸调节PH至1-2，室温搅拌48h，再用无水乙醇和去离子水将反应产物洗涤至中性，50℃真空干燥24h；(2)取(1)中干燥后的产物，加入适量的四氢呋喃，超声1h，然后在无水无氧、冰水浴条件下搅拌1.5h，搅拌速度300-400r/min，然后按照上述比例加入六氯环三磷腈搅拌溶解后，再加入六氯环三磷腈质量的2.5倍的三乙胺，搅拌2h，搅拌速度500-600r/min，反应过程中间隔30min超声一次；(3)反应结束后，离心去除反应液，用三氯甲烷离心洗涤3次至质量不在减少，然后再用四氢呋喃离心洗涤3次至质量不变，最后将离心产物40℃真空干燥，得到改性石墨烯。所述的改性二氧化钛，取市售二氧化钛粉末加入浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液中，二者的比例为1g/30-40mL，超声0.5h，然后将所得悬浮液在160℃下反应6h，反应结束后，将所得的沉淀物添加到其质量10-15倍的去离子水中，形成悬浮液，用1mol/L的稀盐酸溶液处理，直到pH为2.5，继续搅拌1.5-2h，将得到的白色固体用去离子水洗涤至中性，最后在60℃的真空箱中干燥48h，得到改性二氧化钛。所述的硅磷复配阻燃剂为质量比为2-3:1的乙烯基封端硅氧烷和DOPO在反应容器中，搅拌，氮气保护，冷凝回流，恒温130℃反应24h，然后用乙酸乙酯和石油醚洗涤钝化，得到硅磷复配阻燃剂。上述石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，首先按照上述比例称取原料并对原料进行改性处理，然后将改性后原料与聚乙烯基体和其他添加料按比例进行熔融混合，得到最终石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于：所述的对原料进行处理是指对市售玻璃纤维进行改性，其步骤为：(1)将DOPO烘干并研磨，然后将其与KH560按照重量比1-2:5-6于油浴180℃进行混合搅拌，搅拌速度600-800r/min，搅拌6h，然后用去离子水洗涤3-5次，再加入适量去离子水于50℃水浴下水解1-1.5h，最后将水解产物抽滤，并干燥，备用；(2)将步骤(1)中的产物用无水乙醇溶解，配制成质量分数为10-15％的乙醇溶液，然后按照上述比例加入玻璃纤维，超声30min，然后与80℃条件下反应4-4.5h，最后将反应产物用无水乙醇洗涤数次，抽滤并烘干，得到改性玻璃纤维。按上述比例，首先将聚乙烯基体、改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体、填料、增韧剂和添加剂加入混料机中，混合0.5h，然后将混合均匀的混合料加入注塑机，螺杆转速为40～50r/min，注塑机机筒内温度设置为：一区155-160℃、二区165-170℃、三区175-180℃、四区180-185℃，混合料经注塑机注塑，制得最终石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料产品。所述的混料过程中，在混料机中还加入1-3份二甲基硅油。本专利技术中所述的多壁碳纳米管纯度大于95％，内径：3-5nm，外径：8-15nm，长度：10-30μm；所述的增韧剂为POE，所述的添加剂由重量比为1:1的抗氧化剂和抗老化剂混合而成。本专利技术中，采用的硅磷复配阻燃剂为自研制阻燃剂，复合材料在燃烧的过程中，阻燃剂结构的中—P＝O、—P—C—和—P—O—等基团迅速分解，催化聚乙烯分子链断裂，并且以小分子的形式，在热流作用下想表面迁移，使软化聚乙烯基体热降解形成多孔膨胀的炭层，没有滴落现象，在改性石墨烯的协同作用下，复合材料初步热降解后体系的交联点密度和软化层粘度进一步提高，延长小分子向表面迁移的速度，使炭层空隙密度增大，提高炭层膨胀程度，并且形成的炭层表面致密、连续光滑，能够阻隔外部氧气进入和内部可燃性气体的逸出，起到良好的阻燃作用。再者，氧化石墨烯经过改性，六氯环三磷腈分子中的-P-Cl基团主要与氧化石墨烯表面羟基发生亲核取代反应，为增加氧化石墨烯表面羟基数量，本专利技术选择乙醇胺在酸性条件下与氧化石墨烯表面的一些环氧基团发生反应，增加氧化石墨烯片层上碳原子直接相连的羟基，提高氧化石墨烯与聚乙烯基体的结合强度。再者，对玻璃纤维进行改性，一方面提高玻璃纤维在聚乙烯基体中的分散性，同时提高玻璃纤维与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于：由聚乙烯基体、改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体、填料、增韧剂和添加剂制成，按重量比，聚乙烯基体55‑65份、改性石墨烯3‑5份、硅磷复配阻燃剂13‑16份、协效增强体13‑20份、填料10‑15份、增韧剂5‑8份和添加剂1‑3份；所述的改性石墨烯为氧化石墨烯经六氯环三磷腈处理，二者重量比为1:10‑15；所述的硅磷复配阻燃剂粒径为5‑10微米；所述的协效增强体由碳纳米管和改性二氧化钛按照重量比1:10‑13混合而成，其中，所述碳纳米管为改性多壁碳纳米管，其改性步骤为首先将多壁碳纳米管用体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混酸浸泡24h，用去离子水洗去表面残余酸，再用高锰酸钾溶液氧化处理12h，然后用去离子水冲洗干净、烘干；所述的填料由重量比5:2的改性玻璃纤维和改性纳米二氧化硅组成，其中改性玻璃纤维由市售玻璃纤维与其重量10‑15%表面改性剂混合而成，所述的表面改性剂由KH560和DOPO按照重量比1‑2:5‑6的比例混合而成，所述改性纳米二氧化硅为市售纳米二氧化硅与其重量3‑4%的表面处理剂混合得到，所述表面处理剂由苯酚和KH550按照重量比1‑2:30的比例混合而成。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于：由聚乙烯基体、改性石墨烯、硅磷复配阻燃剂、协效增强体、填料、增韧剂和添加剂制成，按重量比，聚乙烯基体55-65份、改性石墨烯3-5份、硅磷复配阻燃剂13-16份、协效增强体13-20份、填料10-15份、增韧剂5-8份和添加剂1-3份；所述的改性石墨烯为氧化石墨烯经六氯环三磷腈处理，二者重量比为1:10-15；所述的硅磷复配阻燃剂粒径为5-10微米；所述的协效增强体由碳纳米管和改性二氧化钛按照重量比1:10-13混合而成，其中，所述碳纳米管为改性多壁碳纳米管，其改性步骤为首先将多壁碳纳米管用体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混酸浸泡24h，用去离子水洗去表面残余酸，再用高锰酸钾溶液氧化处理12h，然后用去离子水冲洗干净、烘干；所述的填料由重量比5:2的改性玻璃纤维和改性纳米二氧化硅组成，其中改性玻璃纤维由市售玻璃纤维与其重量10-15%表面改性剂混合而成，所述的表面改性剂由KH560和DOPO按照重量比1-2:5-6的比例混合而成，所述改性纳米二氧化硅为市售纳米二氧化硅与其重量3-4%的表面处理剂混合得到，所述表面处理剂由苯酚和KH550按照重量比1-2:30的比例混合而成。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于：所述的聚乙烯基体为低密度聚乙烯和高密度聚乙烯按照重量比1:3混合而成。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于：所述的改性石墨烯的改性步骤为，（1）将氧化石墨烯置于去离子水中，二者比例为1g/10mL，超声处理1h，然后用二乙醇胺和稀盐酸调节PH至1-2，室温搅拌48h，再用无水乙醇和去离子水将反应产物洗涤至中性，50oC真空干燥24h；（2）取（1）中干燥后的产物，加入适量的四氢呋喃，超声1h，然后在无水无氧、冰水浴条件下搅拌1.5h，搅拌速度300-400r/min，然后按照上述比例加入六氯环三磷腈搅拌溶解后，再加入六氯环三磷腈质量的2.5倍的三乙胺，搅拌2h，搅拌速度500-600r/min，反应过程中间隔30min超声一次；（3）反应结束后，离心去除反应液，用三氯甲烷离心洗涤3次至质量不在减少，然后再用四氢呋喃离心洗涤3次至质量不变，最后将离心产物40oC真空干燥，得到改性石墨烯。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峻岭，唐玉，许霞，
申请(专利权)人：东莞职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44