一种石墨烯导电母料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯导电母料及其制备方法。本发明专利技术采用一带有剪切齿的强剪切螺杆挤出机，将石墨原料与热熔物料均匀混合，利用剪切齿的强剪切作用，将石墨剥离成石墨烯，并且将石墨烯沿螺杆旋转方向均匀分散开，得到分散均匀的石墨烯熔融物，最后通过挤出造粒，获得石墨烯导电母料。本发明专利技术提供上述方法克服了现有技术中通过采用石墨烯干粉作为原料制备石墨烯导电母粒导致生产成本高，使用危险性大，制备的导电母料中石墨烯的分散性差，成品率低的技术问题，实现了生产成本大幅降低的同时提高了石墨烯在母料中的分散性，易于石墨烯的高效利用的技术效果，进一步，原料和产品易于存储，安全性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种石墨烯导电母料及其制备方法。
技术介绍
为了保护电力输电电缆绝缘层免受由于电场应力集中而造成的破坏，同时为了抑制感应电荷，在电力输电电缆中，额定电压3.6/6.6(7.2)kV以上的使用乙丙橡胶和聚氯乙烯作为绝缘层的电缆，以及额定电压1.8/3.0(3.6)kV以上的使用交联聚乙烯和聚乙烯作为绝缘层的电缆都应有导体屏蔽和绝缘屏蔽层。分别在绝缘层内外侧各设计一层半导电屏蔽层。半导电屏蔽料的质量对电缆的使用安全及使用寿命起着至关重要的作用。半导电屏蔽层所用的复合材料必须在不同温度下及长期使用过程中保持稳定的较低的水平。通常见到的半导电橡皮屏蔽层均是由橡胶与导电炭黑经过机械混合制备而成的，目前也有将石墨烯用于半导电屏蔽橡皮。而目前的石墨烯改性半导电屏蔽材料均是将石墨烯干粉直接分散于高分子材料中，造成了石墨烯的分散不均匀，电缆的屏蔽效果差，成品率低。而采用石墨烯导电母粒作为屏蔽层的添加剂，将大大改善屏蔽层的导电能力，大大提高电缆的成品率。中国专利技术专利申请号201510200391.6公开了一种石墨烯导电母粒及其制备方法和应用，该专利技术涉及一种石墨烯导电母粒的制备方法，将抗静电剂溶解在有机溶剂中得到溶液A，将石墨烯放入有机溶剂中超声分散，在超声和机械搅拌下加入溶液A，浓缩除去有机溶剂得膏状物，最后将膏状物加热熔融，然后将熔融的膏状物经自由落体滴落、冷却即得所述的石墨烯导电母粒。制备得到的石墨烯导电母粒具有优异的体积电阻率，在应用中能够形成旋节相分离结构的高效导电网络。然而，石墨烯易团聚，复杂的制备过程易导致石墨烯分散不均匀，进一步导致导电网络不均匀。中国专利技术专利申请号201410042709.8公开了一种石墨烯改性聚丙烯母粒及其制备方法。该专利技术先将聚丙烯粒子经过带有静电的石墨烯干粉喷涂改性，然后将改性后的聚丙烯粒子与添加剂组分混匀后送入双螺杆挤出机进行熔融混炼，最后经过模头挤出造粒。该专利技术使聚丙烯材料在导热性能得到了大幅提高的情况下，同时还一定幅度上提升了其力学性能。但是该专利技术中直接使用石墨烯干粉，导致成本高，石墨烯覆盖聚丙烯粒子过程中无法做到均匀完全覆盖，导致了后期石墨烯在母粒中的分布不均匀，成品率低。中国专利技术专利申请号201510035628.X公开了一种树脂/石墨烯导电塑料母粒及其制备方法和用途，该专利技术将水、所述树脂/石墨导电母粒、物理发泡剂、隔离剂一同在高压釜中加热后快速低压放出，使得到爆破剥离法制备的树脂/石墨烯导电塑料发泡母粒。该导电塑料发泡母粒再经双螺杆挤出脱泡即可树脂/石墨烯导电塑料母粒。该方法采用石墨为原料，解决了石墨烯不易分散的问题，同时利用超临界物理发泡剂的溶解能力，当其渗入石墨片层在突然释压情况下膨胀而剥离石墨片层。但是该专利技术不易掌握爆破的强度，存在一些安全隐患。根据上述，目前石墨烯导电母粒的制备大多采用石墨烯干粉作为原料，成本高，使用危险性大，制备的导电母料中石墨烯的分散性差，导致导电母料的导电能力低，成品率低。而通过机械直接剥离得到的石墨烯以粉末或浆体的形式存在，极易团聚或者分层沉聚，造成了使用的极大不便。如果直接通过石墨制备石墨烯导电母料，即可在机械剥离石墨烯的同时解决石墨烯的均匀分散问题，易于石墨烯的高效利用，而且易于存储，安全性高。
技术实现思路
针对目前通过机械直接剥离得到的石墨烯导电母粒的制备大多采用石墨烯干粉作为原料，成本高，使用危险性大，制备的导电母料中石墨烯的分散性差，导致导电母料的导电能力低，成品率低的技术问题，本专利技术提出一种石墨烯导电母料及其制备方法，通过螺杆挤出机，将石墨与热熔物料在热熔胶体状态下进行强剪切力作用，得到一种石墨烯导电母料，本专利技术制备的导电母料可作为导电涂料的添加剂，石墨烯在导电母料中的分散性好，不会团聚或沉聚，制成母料之后，易于存储，安全性提高。一方面，本专利技术提供一种石墨烯导电母料的制备方法，采用一带有剪切齿的强剪切螺杆挤出机，将石墨原料与热熔物料在胶体状态下剪切研磨来制备，具体方法如下：（1）将质量百分比为15-29的石墨原料与质量百分比为0-1的分散剂、质量百分比为70-85的热熔物料在高速混合机中以600-1200rpm的转速混和分散10-25min，得到预混物；（2）将步骤（1）得到的预混物加入所述强剪切螺杆挤出机中，所述强剪切螺杆挤出机由进料端向出料端依次设置输送破碎段、剥离段、搅拌段，螺杆以100-1200rpm的转速旋转时，在所述输送段，设置该段温度为120-140℃，预混物中石墨原料的粒径降低至小于1毫米，并与所述热熔物料一起逐渐向前输送；在所述剥离段，设置该段温度为160-180℃，螺杆机螺纹在延第一螺距对应的单位螺纹延线上N个开口处各分布一剪切齿，在所述剪切齿的强剪切力作用下热熔物料被挤压，粘附在所述石墨原料上的热熔物料经过剪切运动将所述石墨原料剥离成石墨烯，使石墨原料剥离形成单层或多层大尺寸面积的石墨烯，形成石墨烯掺杂的热熔物料，其中，所述第一螺距为所述剥离段螺纹的螺距，N为大于等于1的整数；在所述搅拌段，设置该段温度为180-200℃，热熔物料处于温度更高的熔融状态，石墨烯沿螺杆旋转方向在熔融热熔物料中均匀分散开，得到分散均匀的石墨烯熔融物，并逐渐向前输送；（3）步骤（2）得到的石墨烯熔融物经过挤出造粒、冷却得到石墨烯导电母料。优选地，所述石墨原料为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种，所述石墨原料粒径小于等于10毫米。优选地，所述热熔物料为EVA热熔胶、PA热熔胶、PES聚酯热熔胶、PE聚乙烯热熔胶中的一种或几种，所述热熔物料的粒径为3-50mm。优选地，所述的分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、1-吡啶酸中的至少一种。优选地，所述强剪切螺杆挤出机还包括：所述的输送破碎段螺纹的第二螺距为8-10cm，螺纹升角为45-60°，其中，所述第二螺距为所述输送破碎段螺纹的螺距；所述的剥离段螺纹的所述第一螺距为3-8cm，螺纹升角为30-45°；所述剪切齿为方柱形、圆弧形、渐开线形中的一种，所述剪切齿的齿宽小于等于所述开口长度；所述的搅拌段螺纹的第三螺距为2-5cm，螺纹升角为25-35°，所述第三螺距为所述剥离段螺纹的螺距。优选地，所述螺纹的螺棱的断面为三角形结构、矩形结构和梯形结构中的一种。另一方面，本专利技术提供一种石墨烯导电母料，所述石墨烯导电母料由权利要求1-6所述的方法制备而成的固态混合物，作为添加剂应用于橡胶、树脂中。本专利技术一种石墨烯导电母料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本专利技术采用螺杆挤出机生产石墨烯导电母料，生产成本大幅降低，并且生产过程无环境污染，产量高，具有显著的市场应用价值。2、通过特定结构的螺杆机剪切剥离制备石墨烯，在连续挤出过程中，石墨通过剪切剥离，形成高质量石墨烯，而热熔胶体缓冲了机械冲击过程，温和传递剪切作用力，保护了石墨烯完整性，使导电母料的导电性能提高。3、本专利技术制备的石墨烯导电母料中，石墨烯的分散性好，不会团聚或沉聚，电流传递障碍少，电阻低。4、本专利技术制备的石墨烯导电母料，易于存储，安全性提高。附图说明为进一步说明本专利技术中一种石墨烯导电母料的制备方法，通过附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯导电母料的制备方法，其特征在于，采用一带有剪切齿的强剪切螺杆挤出机，将石墨原料与热熔物料在胶体状态下剪切研磨来制备，具体方法如下：（1）将质量百分比为15‑29的石墨原料与质量百分比为 0‑1的分散剂、质量百分比为70‑85的热熔物料在高速混合机中以600‑1200rpm的转速混和分散10‑25min，得到预混物；（2）将步骤（1）得到的预混物加入所述强剪切螺杆挤出机中，所述强剪切螺杆挤出机由进料端向出料端依次设置输送破碎段、剥离段、搅拌段，螺杆以100‑1200rpm的转速旋转时，在所述输送段，设置该段温度为120‑140℃，预混物中石墨原料的粒径降低至小于1毫米，并与所述热熔物料一起逐渐向前输送；在所述剥离段，设置该段温度为160‑180℃，螺杆机螺纹在延第一螺距对应的单位螺纹延线上N个开口处各分布一剪切齿，在所述剪切齿的强剪切力作用下热熔物料被挤压，粘附在所述石墨原料上的热熔物料经过剪切运动将所述石墨原料剥离成石墨烯，使石墨原料剥离形成单层或多层大尺寸面积的石墨烯，形成石墨烯掺杂的热熔物料，其中，所述第一螺距为所述剥离段螺纹的螺距，N为大于等于1的整数；在所述搅拌段，设置该段温度为180‑200℃，热熔物料处于温度更高的熔融状态，石墨烯沿螺杆旋转方向在熔融热熔物料中均匀分散开，得到分散均匀的石墨烯熔融物，并逐渐向前输送；（3）步骤（2）得到的石墨烯熔融物经过挤出造粒、冷却得到石墨烯导电母料。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯导电母料的制备方法，其特征在于，采用一带有剪切齿的强剪切螺杆挤出机，将石墨原料与热熔物料在胶体状态下剪切研磨来制备，具体方法如下：（1）将质量百分比为15-29的石墨原料与质量百分比为0-1的分散剂、质量百分比为70-85的热熔物料在高速混合机中以600-1200rpm的转速混和分散10-25min，得到预混物；（2）将步骤（1）得到的预混物加入所述强剪切螺杆挤出机中，所述强剪切螺杆挤出机由进料端向出料端依次设置输送破碎段、剥离段、搅拌段，螺杆以100-1200rpm的转速旋转时，在所述输送段，设置该段温度为120-140℃，预混物中石墨原料的粒径降低至小于1毫米，并与所述热熔物料一起逐渐向前输送；在所述剥离段，设置该段温度为160-180℃，螺杆机螺纹在延第一螺距对应的单位螺纹延线上N个开口处各分布一剪切齿，在所述剪切齿的强剪切力作用下热熔物料被挤压，粘附在所述石墨原料上的热熔物料经过剪切运动将所述石墨原料剥离成石墨烯，使石墨原料剥离形成单层或多层大尺寸面积的石墨烯，形成石墨烯掺杂的热熔物料，其中，所述第一螺距为所述剥离段螺纹的螺距，N为大于等于1的整数；在所述搅拌段，设置该段温度为180-200℃，热熔物料处于温度更高的熔融状态，石墨烯沿螺杆旋转方向在熔融热熔物料中均匀分散开，得到分散均匀的石墨烯熔融物，并逐渐向前输送；（3）步骤（2）得到的石墨烯熔融物经过挤出造粒、冷却得到石墨烯导电母料。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，王镭迪，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51