[發明專利]石墨烯改性阻氧聚乙烯母粒及其制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202010042923.9
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111117041A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 朱亞坤;翟樂;樊振興;徐歡;李金來
• 申請（專利權）人: 江蘇新奧碳納米材料應用技術研究院有限公司;江蘇江南烯元石墨烯科技有限公司
• 主分類號: C08L23/06
• 分類號: C08L23/06;C08L23/08;C08K13/06;C08K9/10;C08K9/06;C08K9/04;C08K3/04;C08K3/34;C08K5/20;C08J3/22
• 代理公司: 常州市夏成專利事務所(普通合伙) 32233
• 代理人: 周文杰

本發明涉及塑料管材功能化和高性能化的技術領域，尤其涉及一種石墨烯改性阻氧聚乙烯母粒及其制備方法及其應用。改性塑料母粒由以下組分構成：聚乙烯基體、石墨烯、第二阻氧劑、包覆劑、表面處理劑、分散劑和抗氧劑，三步法的生產工藝以改善石墨烯在聚乙烯基體中混合、分散、剝離的效果，通過新材料與新技術和新方法的有機結合，提高石墨烯在復合材料中的填充比例，促進復合材料基體中完善網絡結構的形成。通過網絡的良好搭建可以顯著提高復合材料的阻氧性能，以此充分發揮石墨烯在阻氧管材中的應用潛能，得到高阻隔石墨烯納米片層結構填充的管材。

技術領域

本發明涉及一種管材，尤其涉及一種石墨烯改性阻氧聚乙烯母粒及其制備方法及其應用。

背景技術

聚乙烯管材是以聚乙烯樹脂為基體，經直接擠出或加入其他粉體填料混合擠出制備的管材。與金屬管相比，聚乙烯管材質輕、比強度高、耐腐蝕、使用壽命長、柔軟性好、安裝維護費用低，同時具有良好的力學性能，產量大，易加工，價格低廉，應用廣泛，是五大通用塑料之一，在冷熱水給水、低溫輻射地暖系統、天花板制冷、空調管路、熱泵、散熱器連接、工業換熱管道、漁業保溫管等方面具有重要的應用前景。

由于聚乙烯氣體阻隔性能差，限制了其在管道等很多領域的發展，因此提高聚乙烯管材的氣體阻隔性能就變得十分必要。聚乙烯阻氧管能阻隔氧氣滲入管道系統，防止與之連接的金屬部件腐蝕生銹，從而大大延長整個管道系統中金屬閥門、開關、分集水器、鍋爐等金屬件的使用壽命。同時，阻氧管中的水也不易滋生細菌而導致水質變質，長期使用不會堵塞管路，水路流通能力可長期維持在較好水平，大大提高管材的使用性能。現有的聚乙烯管阻氧技術多采用多層共擠涂覆技術，市場上見到的三層或五層阻氧管，是在管道中通過共擠形成一個阻氧功能層(一般采用氧氣滲透系數極低的極性乙烯-乙烯醇共聚物，即EVOH樹脂)，從而有效阻止氧氣進入管道循環系統、減少對設備的腐蝕。但是這種技術生產設備投資大、工藝復雜，EVOH原料成本也較高，在一定程度上限制了其廣泛應用。

另外一種途徑是制備阻氧型復合材料管材，通常用來提高聚乙烯氣體阻隔性能的方法是與無機填料共混，采用不透氣的片狀填料能有效地延長氧氣分子在聚合物中擴散滲透的迂回路徑，從而提高復合材料的氣體阻隔性能，片狀填料良好的分散和取向對于延長氣體擴散路徑有著顯著的影響。因此選取的加工方式應能夠使得填料在聚合物中進行良好的分散和取向。

石墨烯是由sp²雜化碳原子緊密結合在一起形成的二維蜂窩狀晶格材料，厚度僅為0.3354 nm，因其比表面積大(理論值達2630 m²/g)、成形過程高度取向等優點成為高效阻隔填料。當石墨烯能夠以單片層形式穩定分散于基體中時，可形成具有單片層分散的石墨烯/聚合物復合材料，少量石墨烯的添加就能顯著提高復合材料的阻隔性能。由此可見，石墨烯是一種極為理想的高阻隔納米片層填料。通過石墨烯與聚合物基體均勻混合和分散，聚合物中添加層狀的石墨烯及其他填料后，由于石墨烯及其他填料對氧氣分子具有阻隔作用，所以氧氣分子只能從片層邊緣或缺陷處通過，這就延長了氧氣分子分子的擴散路徑，從而增強了混合基質的氧氣阻隔性能，原理如圖1、2所示。

石墨烯以在阻隔氧等領域展現出良好的應用前景，但是石墨烯在應用過程中依然存在較大的困難，石墨烯層與層之間的分子間相互作用力較大、團聚較為嚴重，難以在樹脂基體中獲得有效的剝離和均勻的分散。