一种基于石墨烯的光固化涂料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光固化涂料技术领域，更具体地说，涉及一种基于石墨烯的光固化涂料及其制备方法，它由下述原料按质量百分比制备而成：30～70wt％低聚物、20～60wt％活性单体稀释剂、1～10wt％光引发剂、1～10wt％助剂和0.01～10wt％石墨烯组成。本发明专利技术制得的基于石墨烯的光固化涂料机械性能优异、耐温性能和电性能良好，特别适用于耐高温光纤的外涂层，同时适用于光纤高速拉丝工艺，也适用于其他需要快速固化的光电子设备的涂料领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光固化涂料
，更具体地说，涉及一种基于石墨烯的光固化涂料及其制备方法，特别适用于耐高温光纤的外涂层，同时适用于光纤高速拉丝工艺，也适用于其他需要快速固化的光电子设备的涂料领域。
技术介绍
光固化涂料是一种节能、高效、环保的安全绿色涂料，具有固化速率快、无或低有机化合物排放、固化温度低、生产效率高以及优良的防护和光学性能等优点，广泛应用于塑料、金属、玻璃和陶瓷等基材。光固化涂料主要由均聚物、光活性单体、光引发剂等主要成分，配以交联剂、稳定剂和偶联剂等助剂组成。当涂料受到紫外光照射时，光引发剂吸收能量产生活性基团，引发均聚物和单体发生聚合反应，从而固化成膜。通信行业、计算机、印刷和电子行业等的快速发展，大大推动了紫外光固化涂料的发展，同时也对涂料的机械性能和耐热性等提出了更高的要求。高分子材料的力学强度取决于主链化学键力和分子链间的作用力，当作用力较强时力学强度较高。一般增加材料的极性或形成氢键可提高力学强度。但如果极性基团过密或取代基过大，不利分子运动，拉伸强度虽然提高，但呈现脆性。常见的环氧丙烯酸树脂拉伸强度相对较高，但其断裂伸长率低。高分子材料的耐热性取决于主链的柔顺性、取代基、几何结构、相对分子质量、分子链间的作用力等。如环氧丙烯酸酯结构中含有刚性苯环，均聚物耐热性较高。随着信息时代的快速发展，光纤光缆的应用领域越来越广泛，目前商用的普通石英光纤采用紫外固化丙烯酸树脂涂层，其使用温度范围为-60℃～85℃，已经无法适应特殊环境的使用条件，尤其是在油井和航空火箭用发动机等高温恶劣环境中，普通的紫外固化涂层极易发生热老化和热氧老化，从而降低了光纤涂层对光纤的保护作用，进而会影响光纤信息的传输性能。目前，耐高温光纤涂料主要采用聚酰亚胺，一种综合性能极佳的高分子材料，具有优良的耐热性，耐低温、阻燃性、机械性能和生物友好性，被广泛应用于航空航天、激光、光纤传能以及生物医药等领域。然而作为光纤涂料，聚酰亚胺的热固化方式很难实现快速固化，不能满足光纤快速拉丝的需要，同时固化时的温度条件会直接影响光纤涂层后续性能。石墨烯，可看作是单原子层的石墨，是一个碳原子厚度的二维材料，不仅是已知材料中最薄的一种，还具有优异的力学、电学、热学等性能。由于其独特的结构和性能，且氧化石墨烯合成原料简单易得、成本低廉，具有巨大的比表面积和丰富的官能团，经过还原或改性后在聚合物中可形成纳米级分散，石墨烯在改善聚合物的热学、力学和电学性能等方面具有相当大的应用价值。研究发现，Brinson及其同事在“Functionalized grapheme sheets for polymer nanocomposites”一文中将质量分数为1wt％功能化石墨烯纳米片加入到聚丙烯腈中，其玻璃化转变温度即可提高约40℃；向聚甲基丙烯酸酯中加入质量分数为0.05wt％的功能化石墨烯纳米片，玻璃化转变温度提高了近30℃；将质量分数约为1.0％的石墨烯加入PMMA中，复合材料的弹性模量提高约80％，拉伸强度提高约20％。石墨烯的添加提高了这些聚合物的模量、强度及热稳定性，大大的改善了聚合物的热性能。Qiu等人在“Enhancing polymer performance through grapheme sheets”一文中将剥离后的石墨烯0.54％(体积比)加入环氧树脂中，同未添加石墨烯的环氧树脂相比，石墨烯/环氧树脂复合材料的韧性提高了41％，拉伸强度和弹性系数分别增强了10％和25％。添加适量的石墨烯或功能化石墨烯也可以使基体聚合物的力学性能得到显著的提高，克服了一般无机填料使用量大，且不能兼顾刚性、耐热性、尺寸稳定性和韧性同时提高的缺点。鉴于此，本专利技术提供一种基于石墨烯的光固化涂料及其制备方法，制备出的复合涂料械性能优异、耐热性能和电学性能良好，可适用于航天、油井、汽车引擎盖和钢铁行业等恶劣环境；其制备方法及过程简单，制得的基于石墨烯的复合涂料采用紫外光固化，可适用于耐高温光纤的外涂层，同时适用于光纤高速拉丝工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于石墨烯的光固化涂料及其制备方法。本专利技术的制备方法成本低、环境友好、简单易于执行，制得的基于石墨烯的光固化涂料机械性能优异、耐温性能和电性能良好，可适用于航天、油井、汽车引擎盖和钢铁行业等恶劣环境，尤其适合高速拉丝工艺中耐高温光纤的制备。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于石墨烯的光固化光纤涂料，按质量百分比由30～70wt％低聚物、20～60wt％活性单体稀释剂、1～10wt％光引发剂、1～10wt％助剂和0.01～10wt％石墨烯组成。所述的低聚物为紫外光固化低聚物，如聚醚丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚氨脂丙烯酸酯、环氧聚氨脂丙烯酸酯、有机硅改性环氧丙烯酸酯等丙烯酸酯体系光固化低聚物中的一种或多种。普通光固化低聚物制备的光纤涂料可以通过紫外光固化实现快速固化，但是其耐温性能和耐热性能较差，本专利技术通过石墨烯的掺入来提高其弹性模量、拉伸强度和玻璃转化温度，进而提高涂料的机械性能和耐热性能。当氧化石墨烯/石墨烯均匀分散在涂料树脂中，由于其特殊的层状结构，阻碍了树脂分子链段的移动和热分解，从而提高了复合涂料固化膜的模量，进而提高复合涂料的耐热性能；另一方面氧化石墨烯与涂料树脂之间存在一些氢键作用和相容性，使得分子链中硬段的密度增加，交联密度提高。涂料的交联密度和固化后的模量是影响其耐热性能的主要因素。石墨烯的高比表面积，使其具有较强的表面吸附力，能在涂料干燥时形成网状结构，从而增强涂层与基底的吸附作用。同时复合涂料固化过程中紫外光照射光催化还原氧化石墨烯，增加体系的导电性，有助于消除光纤拉丝过程中的静电作用，利于生产过程光纤的收丝和排线。所述的石墨烯为由化学法制备的化学改性/修饰的功能化石墨烯或石墨烯，其中化学改性/修饰的功能包含多种官能团，如羟基、羧基、羰基、氨基、磺酸基等中的一种或多种。所述的石墨烯为二维层状结构的少层石墨烯，优选地层数为1～40层中的一种或/和多种。所述的石墨烯的加入质量百分比优选地为0.01～10wt％。进一步优选地，本专利技术中石墨烯的加入量质量百分比为0.01～5wt％。本专利技术还提供一种基于石墨烯的光固化涂料的制备方法，所述的制备方法为一步或多步共混法，一步法即：将石墨烯与分散剂混合成石墨烯溶液，再将石墨烯溶液与低聚物、活性单体稀释剂、光引发剂和助剂按配比混合均匀，得石墨烯复合涂料，混合反应温度为20～90℃。待静置室温，将复合涂料转移至棕色瓶中，置于真空干燥箱中在一定温度下去除气泡和残余的石墨烯溶剂，即得基于石墨烯的光固化涂料；多步法为：将石墨烯与分散剂混合成石墨烯溶液，再将石墨烯溶液与低聚物按配比先充分混合均匀，得到混合物A，将活性单体稀释剂、光引发剂和助剂按配比混合均匀得到混合物B，然后将混合物A加入到中到混合物B混合均匀，得石墨烯复合涂料，混合反应温度为20～90℃。待静置室温，将复合涂料转移至棕色瓶中，置于真空干燥箱中在一定温度下去除气泡和残余的石墨烯溶剂，得基于石墨烯的光固化涂料。所述的分散剂为非水溶剂，优选丙酮、乙醇、异丙醇、乙二醇、二甲基甲酰胺中的一种或多种；更优选乙醇和丙酮按照质量比1：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的光固化涂料，它由下述原料按质量百分比制备而成：30～70wt％低聚物、20～60wt％活性单体稀释剂、1～10wt％光引发剂、1～10wt％助剂和0.01～10wt％石墨烯组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的光固化涂料，它由下述原料按质量百分比制备而成：30～70wt％低聚物、20～60wt％活性单体稀释剂、1～10wt％光引发剂、1～10wt％助剂和0.01～10wt％石墨烯组成。2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的光固化涂料，其特征在于：所述的低聚物为聚醚丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚氨脂丙烯酸酯、环氧聚氨脂丙烯酸酯、有机硅改性环氧丙烯酸酯中的一种或多种。3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的光固化涂料，其特征在于：所述的石墨烯为由氧化还原法制备的化学改性/修饰的功能化石墨烯。4.如权利要求3所述的一种基于石墨烯的光固化涂料，其特征在于：所述的石墨烯含有羟基、羧基、羰基、氨基、磺酸基中的一种或多种官能团。5.如权利要求1、3或4所述的一种基于石墨烯的光固化涂料，其特征在于：所述的石墨烯为二维层状结构，其层数为1～40层。6.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭王欢，罗杰，熊良明，郭飞，吕大娟，李立彤，毛召召，魏华珍，
申请(专利权)人：长飞光纤光缆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42