一种石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒的制备方法与流程

本发明属于高分子复合材料，具体地说，涉及一种石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒的制备方法。

背景技术：

1、丙纶，又称聚丙烯纤维。聚丙烯(pp)产量位于五大通用树脂第二位，是世界上应用最广泛的通用树脂之一，仅次于聚乙烯″。聚丙烯(pp)是一种价格低廉、用途广泛、易于加工成型的热塑性塑料，由于原材料丰富、力学性能均衡、耐化学药品性优良、透明度高、耐应力开裂、容易加工等优点，广泛应用于汽车、电器、日常用品、纺织衣物和包装等行业。然而，聚丙烯(pp)的力学性能、耐热稳定性不足，具有容易产生静电以及较易老化降解的缺点，限制了其应用。

2、碳纤维，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。由于碳纤维具有高强度、低密度、高耐温、耐水、耐腐蚀等优点，可作为一种优良的增强材料。将碳纤维添加至高聚物得到增强的高聚物复合材料，可以明显提高高聚物的综合性能。

3、石墨烯，是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，其具有优异的力学性能、突出的导电性和导热性、高的比表面积和优异的吸附性能，以及显著的界面效应，非常适合于高性能和多功能聚合物纳米复合材料的开发。复合材料中石墨烯含量较低时，石墨烯可作为增强剂改善聚合物的机械性能和热稳定性等，且不会影响复合材料的其他优良性能。

4、由于石墨烯的比表面积及界面相互作用较大，在聚丙烯基体中容易团聚，采用一般的熔融共混法达不到高度分散效果，从而并不能发挥石墨烯材料的优异性能。

5、目前，已经出现了多种石墨烯/聚丙烯复合材料、碳纤维/聚丙烯复合材料，但大都是采用物理混合均匀后，熔融挤出制备其复合材料；如：

6、公开号为cn112409687a的中国专利文献中公开了一种氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料及其制备方法，该复合材料即是采用物理混合、熔融挤出的方法制备石墨烯/聚丙烯复合材料。石墨烯为层状结构，其均匀分散在聚丙烯基体中能起到一定的应力承载作用，可以提高聚丙烯基体抵抗外力能力。

7、但该方法制备的复合材料中石墨烯均匀性不能保证，故其机械性能增强作用不能保证，且单一的添加石墨烯，其导电导热性能增加不明显，限制了其在导电导热方面的应用。

8、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒的制备方法，以实现石墨烯-碳纤维丙纶复合材料力学性能优异、导电导热性好的目的。

2、为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

3、一种石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒的制备方法包括以下制备步骤：

4、1)将石墨烯、表面活性剂与有机溶剂混合，得到改性石墨烯分散液；

5、2)将改性石墨烯分散液、有机溶剂、烷基铝化合物溶液、硅烷偶联剂、催化剂置于高压聚合釜中，并在丙烯的氛围下进行反应得到石墨烯聚丙烯复合材料；

6、3)将石墨烯-聚丙烯复合材料、碳纤维、抗氧剂混合，经双螺杆挤出机挤出、造粒即得石墨烯碳纤维丙纶复合材料母粒。

7、本发明通过原位聚合法，在石墨烯上合成聚丙烯，石墨烯起到了成核剂的作用，促进聚丙烯的结晶，同时也使得石墨烯分散在了聚丙烯中，改善了石墨烯与聚丙烯的相容性，制备得到了石墨烯均匀分布的石墨烯-聚丙烯复合材料，进一步地，利用该石墨烯-聚丙烯复合材料与碳纤维、抗氧剂混合挤出、造粒得到的石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒力学性能优异，并且具有优异的导电导热性能。

8、所述步骤1)中的表面活性剂包括离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；离子型表面活性剂包括十六酸酰胺丙基三甲基氯化铵；非离子型表面活性剂包括脂肪酸甘油酯型非离子表面活性剂，如：单硬脂酸甘油酯。

9、通过添加表面活性剂制备改性石墨烯分散液，使得石墨烯在分散液中能够均匀分散，以保证在后续聚合反应中，石墨烯在聚丙烯中均匀分散。

10、进一步地，所述步骤2)中，先将高压聚合釜抽真空，再充入丙烯气体至常压状态，然后依次加入有机溶剂、烷基铝化合物溶液、硅烷偶联剂、催化剂、改性石墨烯分散液进行反应。

11、进一步地，所述步骤2)中，在40-80℃下将高压聚合釜抽真空，再充入丙烯气体至常压状态，加入有机溶剂、烷基铝化合物溶液、硅烷偶联剂、催化剂、改性石墨烯分散液后，再继续充入丙烯气体至压力升高至0.2～0.8mpa，进行反应。

12、在聚合反应中，通过添加硅烷偶联剂使得石墨烯与聚丙烯的界面结合力增强，进一步使得石墨烯能够紧紧结合在聚丙烯中，充分合理地利用了石墨烯，使其极大地提高了聚丙烯的力学性能。

13、进一步地，所述步骤2)中，烷基铝化合物溶液中的溶质烷基铝化合物包括三乙基铝、三异丁基铝、三正丁基铝中的一种或多种，溶剂包括正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷中的一种或多种；

14、优选的，所述烷基铝化合物溶液的浓度为1～3mol/l；

15、优选的，所述烷基铝化合物溶液的添加量为0.1～50mmol/kg丙烯。

16、进一步地，所述步骤2)中，硅烷偶联剂包括甲氧基硅烷、氨基硅烷、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或多种；

17、优选的，所述硅烷偶联剂的添加量为0.1～3mmol/g催化剂。

18、进一步地，所述步骤2)中，催化剂包括ziegler-natta催化剂、茂金属催化剂中的一种或两种。

19、所述ziegler-natta催化剂选自mgcl2/ticl4、ticl4/bumgcl、ticl4/alet3、sio2/ticl4、avant z-n催化剂、shac 330催化剂、rce02p聚丙烯催化剂、lynx2000系列催化剂中的一种或多种；

20、所述茂金属催化剂选自ape1s茂金属催化剂、pmp-01载体型茂金属聚丙烯催化剂、桥联二茂锆类催化剂、桥连二芴基茂锆类催化剂、桥连单芴基单环戊二烯基茂锆金属化合物催化剂、cgc催化剂、avant m系列催化剂中的一种或两种。

21、进一步地，所述步骤1)中，有机溶剂选自正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷中的一种或多种。

22、进一步地，所述步骤1)中，石墨烯与表面活性剂的质量比为1：0.05～1.5。

23、进一步地，所述步骤1)中，改性石墨烯分散液中石墨烯的质量百分比浓度为5～50％。

24、进一步地，所述步骤1)中，所述步骤(1)中，石墨烯为粉末状，片径小于200um；

25、优选的，所述石墨烯选自纯石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、有机改性石墨烯中的一种或多种。

26、进一步地，所述步骤3)中，石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒中各组分的质量分数为：

27、石墨烯-聚丙烯复合材料     60％～95％

28、碳纤维                    5％～40％

29、抗氧剂                    0.1％～1％；

30、优选的，所述步骤3)中，双螺杆挤出机的参数设置为：主机转速为100～300r/min，喂料转速为3-10r/min，挤出造粒温度为180℃～240℃；

31、优选的，双螺杆挤出机的一区温度为180～190℃，二区温度为190～200℃，三区温度为200～210℃，四区温度为210～220℃，五区温度为220～230℃，六区温度为230～240℃，机头温度为230～240℃。

32、所述步骤2)中，向体系中加入酸醇溶液终止反应。

33、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

34、本发明通过原位聚合法，在石墨烯上合成聚丙烯，石墨烯起到了成核剂的作用，促进聚丙烯的结晶，同时也使得石墨烯分散在了聚丙烯中，改善了石墨烯与聚丙烯的相容性，制备得到了石墨烯均匀分布的石墨烯-聚丙烯复合材料，进一步地，利用该石墨烯-聚丙烯复合材料与碳纤维、抗氧剂混合挤出、造粒得到的石墨烯-碳纤维丙纶复合材料母粒力学性能优异，并且具有优异的导电导热性能。