本發(fā)明屬于工程塑料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯改性樹脂原料及其制備方法與改性樹脂制備方法。
背景技術(shù)：
以聚酰胺(PA)，聚碳酸酯(PC)，聚甲醛(POM)，聚苯醚(PPO)以及熱塑性聚酯(PBT,PET)為代表的五大工程塑料，目前已廣泛應(yīng)用于電子電器，汽車零部件，建筑材料，日用消費(fèi)品，信息技術(shù)乃至航天航空等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的材料以及衡量一國工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，其重要性正在與日俱增。
現(xiàn)有制備復(fù)合工程塑料的主要技術(shù)路徑，是通過玻璃纖維對塑料樹脂進(jìn)行增強(qiáng)改性，使得經(jīng)改性后的復(fù)合材料兼?zhèn)錈崴苄詷渲筒ＡЮw維各自的優(yōu)良性能，既具備一定的強(qiáng)度和剛性(主要來自于玻璃纖維)，又具備一定的韌性與易加工性(主要來自于塑料樹脂)，在以塑代鋼方面獲得突破性進(jìn)展。
然而上述方法仍存在以下不足：第一：受制于玻纖本身的力學(xué)性能，而且復(fù)合材料中的玻纖含量也不能太高(最高只能達(dá)到60％)，經(jīng)玻纖增強(qiáng)的工程塑料在力學(xué)性能，尤其是剛性和強(qiáng)度方面，與傳統(tǒng)金屬材料仍無法比擬，離大規(guī)模以塑代鋼這一終極目標(biāo)仍有相當(dāng)大的差距，市場一直在期盼一種性能更優(yōu)良的復(fù)合工程塑料，以突破玻璃纖維自身的性能極限。第二：高含量的玻纖增加了復(fù)合材料的成型難度和設(shè)備損耗程度，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中間接成本的升高。第三：玻纖含量的存在增加了復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度，卻削弱了塑料樹脂本身固有的韌性，材料的剛性和韌性無法同時兼顧，成為以玻纖來對工程塑料進(jìn)行復(fù)合改性時一個無法克服的難題。第四：以玻璃纖維對塑料材料進(jìn)行復(fù)合改性，玻纖本身只能作為一種增強(qiáng)劑發(fā)揮作用，對復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度有一定程度的改善，但對復(fù)合材料的其他性能要求，如抗靜電以及散熱等性能，幾乎起不到任何作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種石墨烯改性樹脂原料及其制備方法與改性樹脂制備方法，由該原料制得的石墨烯改性樹脂，兼具高剛性，高強(qiáng)度，高韌性，良好的抗靜電性以及卓越的散熱性等優(yōu)良性能。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
石墨烯改性樹脂原料，包括按照重量百分比計的如下組分：
聚合物樹脂75％～90％；
石墨烯包覆納米金屬粉末8％～15％；
納米炭黑粉末3％～10％，各組分之和總計為100％。
更進(jìn)一步地，所述聚合物樹脂為聚酰胺。
更進(jìn)一步地，所述聚合物樹脂為PA66。
更進(jìn)一步地，所述石墨烯包覆納米金屬粉末為石墨烯包覆納米銅粉末。
所述石墨烯改性樹脂原料的制備方法，步驟如下：
步驟一：將納米金屬粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆納米金屬粉末；
步驟二：按照所述重量配比，將聚合物樹脂、步驟一制得的石墨烯包覆納米金屬粉末、納米炭黑粉末混合均勻，經(jīng)擠出造粒，得石墨烯改性樹脂原料。
更進(jìn)一步地，步驟一中所述納米金屬粉末為納米銅粉末、納米不銹鋼或納米鋁中的一種。
更進(jìn)一步地，步驟二中所述擠出造粒時的溫度為258～270℃。
用所述石墨烯改性樹脂原料制備石墨烯改性樹脂的方法，具體如下：將石墨烯改性樹脂原料與聚合物樹脂按比例混合均勻，經(jīng)擠出造粒，得石墨烯改性樹脂。
更進(jìn)一步地，所述石墨烯改性樹脂原料與聚合物樹脂的質(zhì)量比為2～7:93～98。
更進(jìn)一步地，所述擠出造粒時的溫度為260～280℃。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：
第一：本發(fā)明制得的材料的力學(xué)性能，特別是剛性及強(qiáng)度有明顯的改善，材料的彎曲模量，拉伸強(qiáng)度以及抗沖擊強(qiáng)度這三個關(guān)鍵指標(biāo)較玻纖增強(qiáng)尼龍大大提高，更接近于金屬銅；其中，拉伸強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度較30％玻纖增強(qiáng)PA66材料提升約100％，而材料的彎曲模量則增加了十倍以上；
第二：與動輒30％乃至60％的玻纖含量相比，經(jīng)納米銅-石墨烯改性后的復(fù)合尼龍材料的密度降低了15％左右，這樣可以大大減輕塑料部件的重量，實(shí)現(xiàn)塑料制品輕型化，在汽車工業(yè)，航天航空以及體育用品等領(lǐng)域?qū)笥锌蔀椋?/p>
第四：玻纖增強(qiáng)尼龍材料由于添加了較高的玻纖成分，導(dǎo)致流動性大大降低，成型困難，而且在塑料成型過程中，因?yàn)椴＠w的收縮率在橫向和縱向上有很大的差距，導(dǎo)致成型制品發(fā)生翹曲變形，嚴(yán)重影響到塑料制品的外觀平整度與尺寸精度，而本發(fā)明材料的成型收縮率在縱向與橫向上幾乎一致，可以完全克服這一問題；
第五：因?yàn)楦卟＠w含量的存在，以玻纖增強(qiáng)尼龍材料成型而成的塑料制品，其表面往往會出現(xiàn)很多纖維條紋，即俗稱的玻璃浮纖，嚴(yán)重影響到塑料制品的外觀及表面效果。而使用本發(fā)明材料來成型，塑料制品的表面不僅沒有出現(xiàn)玻璃浮纖，甚至得到了具有部分金屬光澤的表面效果；
第六：同樣是因?yàn)楦卟＠w含量的存在，玻纖增強(qiáng)尼龍在成型過程中，對成型設(shè)備，如注塑機(jī)的螺桿等有較大的磨損，設(shè)備的定期維修與保養(yǎng)成為工廠生產(chǎn)過程中無法回避的一項(xiàng)經(jīng)營成本。而使用本發(fā)明材料成型，設(shè)備幾乎不會受到任何磨損，由此而產(chǎn)生的設(shè)備維修與保養(yǎng)成本完全可以忽略不計，生產(chǎn)的連續(xù)性大大加強(qiáng)；
第七：石墨烯具備極其優(yōu)良的導(dǎo)電性，而由其包覆的納米銅避免了被空氣的氧化，保有金屬活性狀態(tài)，石墨烯與金屬銅同時作用于PA66基體樹脂，極大程度地提高了復(fù)合材料的抗靜電性乃至導(dǎo)電性能，并且極大地提高了材料的抗電磁干擾性能，在通訊，航空以及軍事等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。從表一中可以看出，本發(fā)明材料的體積電阻率為105量級，材料已經(jīng)從絕緣級直接跨入到導(dǎo)電級；
第八：石墨烯與金屬銅均具有良好的散熱性能，通過與PA66共混改性，可以顯著地提高復(fù)合材料的散熱性能，大幅延長材料的使用范圍及使用壽命，本發(fā)明材料的導(dǎo)熱系數(shù)較玻纖增強(qiáng)PA66提升了近十倍，接近鎂和鋁等金屬的導(dǎo)熱性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明中所用試劑原料，如無特別說明，均可通過購買得到。本發(fā)明中使用的納米炭黑粉末主要起兩個作用，一是作為著色劑，覆蓋納米金屬本身的顏色，最終制成高光澤的黑色復(fù)合材料；二是作為導(dǎo)電劑，可以在一定程度上提高塑料樹脂的導(dǎo)電與抗靜電性能。本發(fā)明中所使用的納米銅粉末，其粒徑為20～30nm,納米炭黑粉末的粒徑為35～50nm。本發(fā)明中使用的石墨烯包覆納米金屬粉末，是以液相低聚物為碳源，例如液態(tài)丙烯腈低聚物，通過固相燒結(jié)的方法制備而成。
實(shí)施例1
石墨烯改性樹脂原料，包括按照重量百分比計的如下組分：
PA66 75％；
石墨烯包覆納米不銹鋼粉末 15％；
納米炭黑粉末 10％。
所述石墨烯改性樹脂原料的制備方法，步驟如下：
步驟一：將納米不銹鋼粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆納米銅粉末；
步驟二：按照所述重量配比，將聚合物樹脂、步驟一制得的石墨烯包覆納米不銹鋼粉末、納米炭黑粉末混合均勻，于258℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂原料。
將得到的石墨烯改性樹脂原料與聚合物樹脂按質(zhì)量比為2:98的比例混合均勻，于260℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂。
實(shí)施例2
石墨烯改性樹脂原料，包括按照重量百分比計的如下組分：
PA66 85％；
石墨烯包覆納米銅粉末 10％；
納米炭黑粉末 5％。
所述石墨烯改性樹脂原料的制備方法，步驟如下：
步驟一：將納米銅粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆納米銅粉末；
步驟二：按照所述重量配比，將聚合物樹脂、步驟一制得的石墨烯包覆納米銅粉末、納米炭黑粉末混合均勻，于260℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂原料。
將得到的石墨烯改性樹脂原料與聚合物樹脂按質(zhì)量比為5:95的比例混合均勻，于265℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂。
實(shí)施例3
石墨烯改性樹脂原料，包括按照重量百分比計的如下組分：
PA66 89％；
石墨烯包覆納米鋁粉末 8％；
納米炭黑粉末 3％。
所述石墨烯改性樹脂原料的制備方法，步驟如下：
步驟一：將納米鋁粉末用石墨烯包覆，得石墨烯包覆納米鋁粉末；
步驟二：按照所述重量配比，將聚合物樹脂、步驟一制得的石墨烯包覆納米鋁粉末、納米炭黑粉末混合均勻，于270℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂原料。
將得到的石墨烯改性樹脂原料與聚合物樹脂按質(zhì)量比為7:93的比例混合均勻，于280℃下擠出造粒，得石墨烯改性樹脂。
對實(shí)施例1至3制備的石墨烯改性樹脂、及對照例PA66添加30％玻璃纖維后得到的樹脂進(jìn)行性能檢測，結(jié)果如下表1所示：
表1 性能測試
由上表可見，本發(fā)明制得的石墨烯改性樹脂具有優(yōu)于的性能，其各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的玻璃纖維改性PA66樹脂
本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。