技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種礦用石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雙抗管材制備方法，具體屬于塑料管材技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯是一種分子量在150萬以上的線型熱塑性聚合物，雖然分子結(jié)構(gòu)與普通的高密度聚乙烯（HDPE）相同，但是其性能卻表現(xiàn)出很大的差異性，如在耐磨損性能，耐沖擊性，自潤滑性，耐低溫性，無毒、抗減震、電氣絕緣性等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。目前超高分子量聚乙烯被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、運(yùn)輸、紡織、造紙、化工、采礦、石油、建筑、醫(yī)療、體育等眾多領(lǐng)域。但是超高分子量聚乙烯自身的可燃性及電絕緣性，并不適應(yīng)直接應(yīng)用于含有大量瓦斯的環(huán)境中，如煤礦、井下及礦山等作業(yè)環(huán)境，若使用不當(dāng)，則很容易產(chǎn)生爆炸或發(fā)生火災(zāi)。特別是2005年公布的國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT558.1-2005）以后，對煤礦井下用雙抗管提出了更高要求，并且限制玻璃鋼雙抗管的使用。若對超高分子量聚乙烯進(jìn)行改性處理，解決礦井下產(chǎn)生燃燒爆炸及靜電的問題，且同時還能保留其自身的力學(xué)性能、自潤滑性及耐磨損性等，將是礦用雙抗管材選用的重要突破。
目前已有相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于煤礦用超高分子量聚乙烯雙抗管材料開發(fā)方面的報道。如專利（申請?zhí)?01110348531）將流動改性劑、聚苯醚、澳系阻燃劑、阻燃協(xié)效劑、抗靜電組分、偶聯(lián)劑、相容劑和抗氧劑添加到超高分子量聚乙烯中，經(jīng)過造粒擠出工藝，制備出超高分子量聚乙烯雙抗材料，發(fā)明人給出該產(chǎn)品斷裂伸長率都在20%以下，并不能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T2668-2004規(guī)定要求。專利（申請?zhí)?00510104289.2）采用分子量為80-250萬單位的聚乙烯60-70份，高溫阻燃母料8-10份，耐溫抗靜電母料20-30份，聚乙烯蠟2-6份，通過擠出成型制備出煤礦井下用聚乙烯管材，文獻(xiàn)中雖然給出了部分力學(xué)性能數(shù)據(jù)，但沒有給出阻燃數(shù)據(jù)，其阻燃性能不能確定。專利（申請?zhí)?01210402814.9）以分子量300-350萬超高分子量聚乙烯與抗靜電材料，經(jīng)開煉機(jī)混煉形成混合物，再加入填充材料、新型溴系復(fù)配阻燃劑、添加適量的流動改性劑、偶聯(lián)劑、增容劑、抗氧劑，最后通過雙螺桿擠出機(jī)擠出制得，文獻(xiàn)雖然給出缺口沖擊、拉伸強(qiáng)度、阻燃和抗靜電性能等參數(shù)，但沒有給出斷裂伸長率數(shù)據(jù)，而且其表面電阻在2×1010以上，并不能滿足礦用管材抗靜電要求。專利（申請?zhí)?00810049415.2）將超高分子量聚乙烯75-125份，聚乙烯蠟1份-6份，石墨0.5-3份，納米瓷粉1-8份，抗靜電劑0.5-3.5份，阻燃劑1-4份，經(jīng)過配料、混合、加熱、擠壓、冷卻、定型及切割等一系列工序制得納米瓷粉超高分子量聚乙烯改性材料管材，文獻(xiàn)中并沒有給出阻燃抗靜電及力學(xué)性能的測試數(shù)據(jù)，改性的效果并不明確。
現(xiàn)有抗靜電阻燃超高分子聚乙烯管材，通常添加溴系、磷系、硅系、無機(jī)填料等阻燃劑，這些阻燃劑添加量較多、易吸濕、易析出、污染環(huán)境，同時超高分子量聚乙烯熔融時處于高彈態(tài)，導(dǎo)致不同物系間的相容性較差，最終影響到改性后的力學(xué)性能指標(biāo)，其密度偏高，產(chǎn)品的運(yùn)輸安裝費(fèi)用相對較高，這些都限制了其實際應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對以上問題，本發(fā)明提供一種礦用石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雙抗管材制備方法，該復(fù)合材強(qiáng)度高、質(zhì)輕、阻燃、防靜電、自潤滑性好等優(yōu)點(diǎn)特性。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種礦用石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雙抗管材制備方法包括以下步驟：
(1)按下述組成原料的質(zhì)量份稱取各原料：
100份超高分子量聚乙烯粉末、2-5份納米石墨烯片、5-10份偶聯(lián)劑、0.1-1份發(fā)泡劑、0.1-1份增容劑、1-2份潤滑劑、6-10份無鹵阻燃劑、3~6份抗靜電劑、2-4份流動改性劑、1-3份成核劑；0.1-0.2份抗氧劑、0.2-0.5份過氧化物、1-3份填料。
(2)抗管材的成型
將納米石墨烯片投入到偶聯(lián)劑與乙醇質(zhì)量比為1:8.5的偶聯(lián)劑乙醇溶液中，攪拌均勻后用高速剪切分散處理20-30分鐘，得到分散均勻的石墨烯漿液。
向上述石墨烯漿液中分別加入超高分子量聚乙烯粉末、發(fā)泡劑、增容劑、潤滑劑、無鹵阻燃劑、抗靜電劑、流動改性劑、成核劑組分；其后在60-80℃、200-300rpm的轉(zhuǎn)速下，混合攪拌處理60分鐘，再靜置3小時后進(jìn)行抽濾；抽濾得到的濾餅在自然條件下晾干，然后加入到高速混料機(jī)中攪拌20分鐘，得到預(yù)混物料。
將上述預(yù)混物料加入到單螺桿擠出機(jī)中擠出，得到的復(fù)合型超高分子量聚乙烯雙抗管材再經(jīng)真空定型、冷卻、牽引和切割，得到石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雙抗管材。
所述的超高分子量聚乙烯粉末的分子量范圍在350-1000萬；納米石墨烯片的厚度小于20nm，片徑5-20um，層數(shù)小于10層；抗靜電劑為導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電石墨粉、納米碳管中的一種或幾種的復(fù)合，且粒徑范圍為1000~6000目；無鹵阻燃劑為Al(OH)3、Mg(OH)2、紅磷、聚磷酸銨、磷酸酯、磷酸三苯酯、磷酸甲苯二苯酯、三聚氰胺中的兩種及以上的組合。
所述的偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦酸酯偶聯(lián)劑中的一種或幾種的組合。
所述的潤滑劑為硬脂酸及其鹽、聚乙烯蠟、石蠟或氧化聚乙烯蠟。
所述發(fā)泡劑為小蘇打、偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈中的至少一種。
所述的增容劑為順丁烯二酸酐、異氰酸酯、鄰苯二甲酸酐、聚亞甲基聚苯基異氰酸酯中的至少一種。
所述的流動改性劑的分子量為40-60萬的聚乙烯粉末。
所述的成核劑為苯甲酸、乙二酸鈉、硬脂酸鹽、硅藻土中的至少一種。
本發(fā)明的有益效果：采用偶聯(lián)劑乙醇溶液將納米石墨烯充分分散，再用增容劑、流動劑、潤滑劑、成核劑等助劑將少量納米石墨烯、抗靜電劑及阻燃劑分散在基體相超高分子量聚乙烯樹脂的界面兩相中及介質(zhì)空隙內(nèi)，共混物熔融時可產(chǎn)生雙逾滲效應(yīng)，可以使應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)移，從而有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率和高比表面積等特性，石墨烯與阻燃劑復(fù)配對聚合物材料阻燃性具有顯著的協(xié)同作用，燃燒過程能形成更加連續(xù)致密的炭層，該碳層對材料基體起到更好的保護(hù)作用，其效果均優(yōu)于阻燃劑或石墨烯單獨(dú)使用的阻燃效果；同時石墨烯本身是良好的導(dǎo)電材料，和導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電石墨粉、納米碳管復(fù)配，能形成鏈狀、網(wǎng)狀的導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能將材料表面的靜電荷迅速泄漏走，降低體積電阻率和表面電阻率。
本發(fā)明制備的超高分子量聚乙烯管材拉伸強(qiáng)度大于23MPa，斷裂伸長率大于300%，表面電阻大于2.5×105，氧指數(shù)為大于30%，彈性模量大于1.4GPa，與同類比較有顯著提高。具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、阻燃、防靜電等優(yōu)良特性，可最大限度地應(yīng)用于含有大量瓦斯的作業(yè)環(huán)境中，如煤礦、井下及礦山等行業(yè)領(lǐng)域，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景和社會效益。
具體實施方式
下面結(jié)合實施范例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，需要指出的是，所列舉的實施范例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
實施例1
（1）首先將4份納米石墨烯片（厚度5-10nm，片徑10-20um，層數(shù)5-10層）投入3份的KH-570硅烷偶聯(lián)劑乙醇溶液（偶聯(lián)劑質(zhì)量含量為10%，乙醇質(zhì)量含量為85%，水質(zhì)量含量為5%）中，攪拌均勻后用高速剪切分散機(jī)處理30分鐘，得到分散均勻的石墨烯漿液，備用。
（2）接著向石墨烯漿液中加入100份分子量為500萬的超高分子量聚乙烯粉末、0.5份偶氮二甲酰胺、0.5份順丁烯二酸酐、1份聚乙烯蠟、6份紅磷、3份Mg(OH)2，5份導(dǎo)電石墨粉（4000目）、3份分子量為60萬的聚乙烯粉末、1份乙二酸鈉，0.2份抗氧劑1010，用攪拌機(jī)將該混合物攪拌處理，溫度為60℃，轉(zhuǎn)速為300rpm，混合攪拌60分鐘后，再靜置3小時，然后進(jìn)行抽濾，再將抽濾得到的混合物料在自然條件下晾干，再將該混合物一并加入到高速混料機(jī)中，攪拌20分鐘，然后出料，得到預(yù)混料。
（3）最后將上述高速混合后的預(yù)混料加入超高分子量聚乙烯單螺桿擠出機(jī)中擠出，得到復(fù)合型超高分子量聚乙烯雙抗管材，再經(jīng)真空定型臺定型、冷卻、牽引、切割工藝后得到產(chǎn)品。
該產(chǎn)品經(jīng)性能測試，得到性能指標(biāo)：拉伸強(qiáng)度為25.6MPa，斷裂伸長率為301.2%，表面電阻為2.6×105，氧指數(shù)為32.2%，彈性模量為1.53GPa。
實施例2
（1）首先將3份納米石墨烯片（厚度5nm，片徑10um，層數(shù)5層）投入4份的JTW-101鈦酸酯偶聯(lián)劑乙醇溶液（偶聯(lián)劑質(zhì)量含量為10%，乙醇質(zhì)量含量為85%，水質(zhì)量含量為5%）中，攪拌均勻后用高速剪切分散機(jī)處理30分鐘，得到分散均勻的石墨烯漿液，備用。
（2）接著向石墨烯漿液中加入100份分子量為800萬的超高分子量聚乙烯粉末、0.5份偶氮二異丁腈、0.5份鄰苯二甲酸酐、1份硬脂酸鈣、6份紅磷、3份Al(OH)3，5份導(dǎo)電炭黑（4000目）、4份分子量為50萬的聚乙烯粉末、1份苯甲酸，0.1份抗氧劑1010，用攪拌機(jī)將該混合物攪拌處理，溫度為70℃，轉(zhuǎn)速為300rpm，混合攪拌60分鐘后，再靜置3小時，然后進(jìn)行抽濾，再將抽濾得到的混合物料在自然條件下晾干，再將該混合物一并加入到高速混料機(jī)中，攪拌20分鐘，然后出料，得到預(yù)混料。
（3）最后將上述高速混合后的預(yù)混料加入超高分子量聚乙烯單螺桿擠出機(jī)中擠出，得到復(fù)合型超高分子量聚乙烯雙抗管材，再經(jīng)真空定型臺定型、冷卻、牽引、切割工藝后得到產(chǎn)品。
該產(chǎn)品經(jīng)性能測試，得到性能指標(biāo)：拉伸強(qiáng)度為23.6MPa，斷裂伸長率為321.6%，表面電阻為2.6×105，氧指數(shù)為31.4%，彈性模量為1.42GPa。
實施例3
（1）首先將5份納米石墨烯片（厚度5nm，片徑5um，層數(shù)3層）投入5份的KH-550硅烷偶聯(lián)劑乙醇溶液（偶聯(lián)劑質(zhì)量含量為10%，乙醇質(zhì)量含量為85%，水質(zhì)量含量為5%）中，攪拌均勻后用高速剪切分散機(jī)處理30分鐘，得到分散均勻的石墨烯漿液，備用。
（2）接著向石墨烯漿液中加入100份分子量為700萬的超高分子量聚乙烯粉末、0.5份偶氮二甲酰胺、0.5份異氰酸酯、1份石蠟、5份磷酸酯、5份Al(OH)3，4份導(dǎo)電炭黑（6000目）、3份分子量為40萬的聚乙烯粉末、1份硅藻土（4000目），0.1份抗氧劑1010，用攪拌機(jī)將該混合物攪拌處理，溫度為80℃，轉(zhuǎn)速為300rpm，混合攪拌60分鐘后，再靜置3小時，然后進(jìn)行抽濾，再將抽濾得到的混合物料在自然條件下晾干，再將該混合物一并加入到高速混料機(jī)中，攪拌20分鐘，然后出料，得到預(yù)混料。
（3）最后將上述高速混合后的預(yù)混料加入超高分子量聚乙烯單螺桿擠出機(jī)中擠出，得到復(fù)合型超高分子量聚乙烯雙抗管材，再經(jīng)真空定型臺定型、冷卻、牽引、切割工藝后得到產(chǎn)品。
該產(chǎn)品經(jīng)性能測試，得到性能指標(biāo)：拉伸強(qiáng)度為28.6MPa，斷裂伸長率為351.6%，表面電阻為4.7×105，氧指數(shù)為30.9%，彈性模量為1.43GPa。