一种石墨烯/导电炭黑复合材料的制备方法及其装置和应用与流程

本发明涉及一种石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法及其装置，以及该复合材料应用。

背景技术：

中高压电缆用半导电屏蔽料主要采用在高分子聚合物中均匀分散加入导电炭黑等材料的方式制成，受导电炭黑导电性及热稳定性不佳的影响，导致半导电屏蔽料的体积电阻率指标偏高，因而对电缆屏蔽效果不够理想，为提高导电炭黑导电性能及热稳定性能，需添加石墨烯以改善导电性能。目前在电缆生产厂家或半导电屏蔽料生产厂家将石墨烯、导电炭黑及其它材料加入混合器，通过机械作用将各种材料混合，石墨烯由于其较大的比表面积，再加上片层与片层之间容易产生相互作用，极易出现团聚现象，难以均匀分散，造成导电性能改善不佳，同时固态的各种材料高速搅拌生热高，易出现自燃现象，形成浪费和安全隐患。

技术实现要素：

本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种可防止出现团聚现象和自燃现象的石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法及其装置，以及复合材料应用。

一种石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法，其特征是：

(1)将固态石墨烯或石墨烯水系悬浮液在石墨烯配置罐中与水配制成质量百分比为10%-15%的石墨烯悬浮液，通过机械搅拌或超声波分散形成稳定的悬浮液；石墨烯悬浮液配置用水的硬度≤3µmol/l、碱度≤3µmol/l；

(2)将稳定的石墨烯悬浮液加入导电炭黑造粒水中，通过混合器混合均匀形成混合液；所述导电炭黑造粒水的硬度≤3µmol/l、碱度≤3µmol/l；石墨烯占混合液质量百分比为1%-6%；优选的石墨烯占比为1%-5%。

(3)将上述混合液加入到湿法造粒机中，包覆吸附到粉状导电炭黑的表面，在湿法造粒机搅齿的作用下，形成石墨烯/导电炭黑复合材料湿粒子；粉状导电炭黑由粉状炭黑储罐通过气密阀加入，粉状导电炭黑与造粒水之比为1：1。

所述搅齿位于造粒机内部，通过其高速旋转的机械搅拌力，使细粉状物料在机内连续旋转，实现混合，成粒、球化、致密等，从而达到造粒的目的。

(4)炭黑湿粒子在滚筒干燥机中干燥脱去水分，最后形成石墨烯/导电炭黑复合材料；石墨烯占该复合材料的质量百分比为1%-6%；

在石墨烯与水混合形成的悬浮液中，按照悬浮液总的质量百分比0.1%-0.5%的比例加入分散剂，提高悬浮液稳定性。石墨烯悬浮液通过定量泵及流量计加入到导电炭黑造粒水中，再通过造粒水流量调节阀以及造粒水流量计定量加入石墨烯到导电炭黑中。

石墨烯/导电炭黑复合材料湿粒子在滚筒干燥机中与来自尾气燃烧炉的热烟气进行换热而脱去水分，滚筒干燥机炭黑出口温度150-300℃。优选的炭黑出口温度150-250℃。

所述的质量百分比为10%-15%的石墨烯悬浮液优选的浓度为10%-13%。所述的配制石墨烯悬浮液用水优选软化水。通过机械搅拌或超声波分散形成稳定的悬浮液，可以添加一定比例的分散剂，优选的分散剂为阴离子表面活性剂，添加比例为0.1-0.5%。

所述的混合液通过水枪加入造粒机进料段，均匀包覆吸附到粉状炭黑的表面，形成石墨烯/导电炭黑复合材料，石墨烯/导电炭黑复合材料在造粒机搅齿的作用下，形成炭黑湿粒子。本发明所用原料均市售可得。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料dbp的吸收值：120-18010^-5m³/kg、氮吸附比表面积：40-8010³m²/kg、挥发分：≤0.8%、加热减量：≤0.3%、颗粒平均硬度15-21cn、灰分≤0.20%。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料的应用，是用于电缆用半导电屏蔽料，半导电屏蔽料按照质量单位份计的配方是：乙烯-醋酸乙烯共聚物eva100份；石墨烯/导电炭黑复合材料40-45份；润滑剂5-8份；抗氧剂0.1-0.3份；交联剂1.5-1.8份；通过密炼机混炼，螺杆挤出机造粒形成半导电屏蔽料，其20℃体积电阻率≤20ω·cm；90℃体积电阻率≤50ω·cm。半导电屏蔽料通过挤出机形成电缆线的屏蔽层，石墨烯/导电炭黑复合材料在屏蔽层中形成导电通路，改善半导电屏蔽料导电性能。

上述方法所用的石墨烯/导电炭黑复合材料制备装置，包括石墨烯悬浮液系统、造粒水系统、混合器、湿法造粒机、粉状炭黑储罐、滚筒干燥机和尾气燃烧炉；造粒水系统包括造粒水泵和造粒水管道；石墨烯悬浮液系统包括石墨烯配置罐、定量泵、流量计和悬浮液管道；石墨烯悬浮液系统通过悬浮液管道与造粒水管道连接，定量泵、流量计依次装在悬浮液管道上；混合器安装在悬浮液管道与造粒水管道接口的后方；混合器通过混合液管道与湿法造粒机连接；粉状炭黑储罐通过气密阀与湿法造粒机连接；滚筒干燥机通过下料管道与湿法造粒机连接；尾气燃烧炉通过烟气管道与滚筒干燥机外围火箱连接；滚筒干燥机上设有石墨烯/导电炭黑复合材料出口。

所述混合器为静态混合器。混合液管道上在混合器后方依次装有用于调节混合液流量的流量计和流量调节阀。

本发明的积极进步效果在于：不易出现团聚现象，易均匀分散，导电性能改善较佳，同时可以有效防止固态的各种材料高速搅拌生热高而出现自燃现象，形成浪费和安全隐患。石墨烯在水相中形成稳定的体系，改善了石墨烯团聚现象，提高了石墨烯分散效果，在屏蔽层中形成造成导电通路，改善导电性能，电缆半导电屏蔽料90℃体积电阻率≤50ω·cm；石墨烯/导电炭黑在水相中分散，没有安全隐患。

附图说明

图1为本发明石墨烯/导电炭黑复合材料制备装置结构示意图；

图中：①石墨烯配置罐，②定量泵，③流量计，④造粒水泵，⑤混合器，⑥流量计，⑦流量调节阀，⑧粉状炭黑储罐，⑨气密阀，⑩湿法造粒机，⑪滚筒干燥机，⑫尾气燃烧炉，⑬火箱，⑭石墨烯/导电炭黑复合材料出口。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法是：

(1)采用固态石墨烯，在石墨烯配置罐与软化水配制成质量百分比为10%-15%的石墨烯水系悬浮液，添加0.1%-0.5%的阴离子表面活性剂作为分散剂，通过机械搅拌形成稳定的悬浮液。其中，石墨烯配置罐有两个，一开一备。

(2)石墨烯悬浮液通过定量泵、流量计加入导电炭黑造粒水中，通过流量计与流量调节阀，定量加入石墨烯，石墨烯占比1%-6%。石墨烯与造粒水通过混合器均匀混合。

(3)混合液通过3-6支水枪，均匀加入造粒机进料段，包覆吸附到粉状炭黑的表面，形成石墨烯/导电炭黑复合材料，石墨烯/导电炭黑复合材料在造粒机搅齿的作用下，形成炭黑湿粒子。

(4)炭黑湿粒子在干燥机中与来自尾气燃烧炉热烟气进行换热，脱去水分，炭黑出口温度150-300℃。

上述方法所用的石墨烯/导电炭黑复合材料制备装置，包括石墨烯悬浮液系统、造粒水系统、混合器⑤、湿法造粒机⑩、粉状炭黑储罐⑧、滚筒干燥机⑪和尾气燃烧炉⑫；造粒水系统包括造粒水泵④和造粒水管道；石墨烯悬浮液系统包括石墨烯配置罐①、定量泵②、流量计③和悬浮液管道；石墨烯悬浮液系统通过悬浮液管道与造粒水管道连接，定量泵②、流量计③依次装在悬浮液管道上；混合器⑤安装在悬浮液管道与造粒水管道接口的后方；混合器⑤通过混合液管道与湿法造粒机⑩连接；粉状炭黑储罐⑧通过气密阀⑨与湿法造粒机⑩连接；滚筒干燥机⑪通过下料管道与湿法造粒机⑩连接；尾气燃烧炉⑫通过烟气管道与滚筒干燥机⑪外围火箱⑬连接；滚筒干燥机⑪上设有石墨烯/导电炭黑复合材料出口⑭。所述混合器⑤为静态混合器。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料dbp的吸收值：120-18010^-5m³/kg、氮吸附比表面积：40-8010³m²/kg、挥发分：≤0.8%、加热减量：≤0.3%、颗粒平均硬度15-21cn、灰分≤0.20%。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料的应用，是用于电缆用半导电屏蔽料，半导电屏蔽料按照质量单位份计的配方是：乙烯-醋酸乙烯共聚物eva100份；石墨烯/导电炭黑复合材料40-45份；润滑剂5-8份；抗氧剂0.1-0.3份；交联剂1.5-1.8份；通过密炼机混炼，螺杆挤出机造粒形成半导电屏蔽料，其20℃体积电阻率≤20ω·cm；90℃体积电阻率≤50ω·cm。半导电屏蔽料通过挤出机形成电缆线的屏蔽层，石墨烯/导电炭黑复合材料在屏蔽层中形成导电通路，改善半导电屏蔽料导电性能。

实施例2

一种石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法是：

(1)采用10%-15%石墨烯水系悬浮液，加入石墨烯配置罐，通过机械搅拌或超声波分散形成稳定的悬浮液，其中石墨烯配置罐两个，一开一备。

(2)石墨烯悬浮液通过定量泵、流量计加入导电炭黑造粒水中，通过流量计与流量调节阀，定量加入石墨烯，石墨烯占比1%-6%。石墨烯与造粒水通过混合器均匀混合。

(3)混合液通过3-6支水枪，均匀加入造粒机进料段，包覆吸附到粉状炭黑的表面，形成石墨烯/导电炭黑复合材料，石墨烯/导电炭黑复合材料在造粒机搅齿的作用下，形成炭黑湿粒子。

(4)炭黑湿粒子在干燥机中与来自尾气燃烧炉热烟气进行换热，脱去水分，炭黑出口温度150-300℃。

上述方法所用的石墨烯/导电炭黑复合材料制备装置与实施例1相同。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料dbp的吸收值：120-18010^-5m³/kg、氮吸附比表面积：40-8010³m²/kg、挥发分：≤0.8%、加热减量：≤0.3%、颗粒平均硬度15-21cn、灰分≤0.20%。

实施例3

一种石墨烯/导电炭黑复合材料制备方法是：

(1)采用石墨烯水系悬浮液，在石墨烯配置罐与水配制成10%-15%的石墨烯水溶液，采用0.1%-0.2%的阴离子表面活性剂作为分散剂，通过机械搅拌形成稳定的悬浮液；其中石墨烯配置罐两个，一开一备。

(2)石墨烯悬浮液通过定量泵、流量计加入导电炭黑造粒水中，通过流量计与流量调节阀定量加入石墨烯，石墨烯占比1%-6%。石墨烯悬浮液与造粒水通过混合器均匀混合。

(3)混合液通过3-6支水枪，均匀加入造粒机进料段，包覆吸附到粉状炭黑的表面，形成石墨烯/导电炭黑复合材料，石墨烯/导电炭黑复合材料在造粒机搅齿的作用下，形成炭黑湿粒子。

(4)炭黑湿粒子在干燥机中与来自尾气燃烧炉热烟气进行换热，脱去水分，炭黑出口温度150-250℃。

上述方法所用的石墨烯/导电炭黑复合材料制备装置与实施例1相同。

上述方法所生产的石墨烯/导电炭黑复合材料dbp的吸收值：120-18010^-5m³/kg、氮吸附比表面积：40-8010³m²/kg、挥发分：≤0.8%、加热减量：≤0.3%、颗粒平均硬度15-21cn、灰分≤0.20%。