托辊用石墨烯导电高分子复合材料、制备方法及应用
阅读说明：本技术 托辊用石墨烯导电高分子复合材料、制备方法及应用 (Graphene conductive polymer composite material for carrier roller, preparation method and application ) 是由 宗旭 田振宇 吴昊 谢卫宏 刘中车 郑雅轩 瞿研 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了托辊用石墨烯导电高分子复合材料,各组分按照重量份数计,包括：50～70份高密度聚乙烯、10～30份无碱玻璃纤维、1～10份导电剂、1～5份接枝剂、0.1～1份石墨烯、0.1～0.5份抗氧剂、0.1～0.5份抗紫外剂和0.1～1份润滑剂。本发明还公开了制备方法及应用。本发明在提升材料导电性能的同时提升力学性能,并且加工工艺简单、制造成本低廉、具有较高的性价比。(The invention discloses a graphene conductive polymer composite material for a carrier roller, which comprises the following components in parts by weight: 50-70 parts of high-density polyethylene, 10-30 parts of alkali-free glass fiber, 1-10 parts of a conductive agent, 1-5 parts of a grafting agent, 0.1-1 part of graphene, 0.1-0.5 part of an antioxidant, 0.1-0.5 part of an anti-ultraviolet agent and 0.1-1 part of a lubricant. The invention also discloses a preparation method and application. The invention improves the mechanical property while improving the electrical conductivity of the material, and has the advantages of simple processing technology, low manufacturing cost and higher cost performance.)
技术领域
本发明涉及高分子加工技术领域，具体而言，涉及一种托辊用石墨烯导电高分子复合材料、制备方法及应用。
背景技术
托辊作为带式输送机的重要组成部件，用于支撑输送带和物料重量，具有种类多，用量大的特点。通过调查研究表明，市场上常规的托辊占据一台带式输送机总成本的35％，但同时在输送过程中对物料的传输产生了70％的阻力，因此托辊的质量对于带式输送机整体的性能具有关键性的作用。目前市场上托辊分为钢制和塑料两种，钢制托辊因其优良的性能一直是市场上主力产品，但是随着工业的现代化发展，钢制托辊存在质量重、成本高等缺点；因此塑料托辊将逐步成为取代钢制托辊的轻量化、低成本的新一代产品。
CN104292699A公开了一种煤矿用抗静电阻燃复合材料及其制备方法，将碳纳米管和石墨烯混合物与部分聚氯乙烯(PVC)树脂按照比例制备导电填料/PVC复合粉体材料；将得到的导电填料/PVC复合粉体材料、剩余的PVC树脂、ABS、增容剂、热稳定剂、润滑剂、加工助剂进行高速混合，得到复合物，将混合后的复合物置于锥形双螺杆挤出机中分段设温挤出造粒，既得煤矿用抗静电阻燃复合材料，该发明专利使用PVC作为基体树脂，成品材料阻燃领域具有毒性隐患，同时仅获得抗静电的效果。CN107418045B公开了《一种高强度高刚性石墨烯改性聚丙烯机器及其制备方法》，通过诸多助剂例如石墨烯、无碱玻璃纤维、酶解木质素、相容剂等通过双螺杆分散在基体树脂中；该发明专利使用改性均聚聚丙烯作为基体树脂，且石墨烯添加量非常高(15-20份)，从而导致一方面成本非常高，另一方面加工非常困难。
为使材料达到导电级别即表面电阻(≤106Ω)的要求，需要添加大量的导电剂例如导电炭黑、碳纳米管等，这就容易导致材料的成本上升同时力学性能的下降，不利于长期的大规模生产和使用。而本发明中的石墨烯在较低添加量(0.1-1％)的条件下，不仅能提升材料的导电性能，同时也能提升材料的力学性能能够使材料满足导电环境下的使用需求，并具有优异的力学性能。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种托辊用石墨烯导电高分子复合材料，各组分按照重量份数计，包括：
可选地，各组分按照重量份数计，包括：
可选地，所述各组分的重量份之和为100。
可选地，所述高密度聚乙烯是100级的聚乙烯，分子量为4-30万，高密度聚乙烯相对于常规的低密度聚乙烯具有硬度高、密度高、材料的力学强度高等优点，高密度聚乙烯与聚氯乙烯相比，属于环保材料，高密度聚乙烯与聚丙烯相比，材料的韧性更好。
可选地，所述无碱玻璃纤维的直径为8-14微米，优选地，所述无碱玻璃纤维的直径为13-14微米。
可选地，所述导电剂为导电炭黑或/和碳纳米管。
可选地，所述接枝剂为PE接枝马来酸酐。接枝剂的作用在于增加基体树脂与无机填料(例：玻璃纤维)之间的界面相容性，在一定范围内(1-5份)对材料力学性能的提升具有较大的帮助(例：添加5份的接枝剂可提升≥20％的力学性能)。接枝剂添加过少或不添加，高分子树脂与其他有机或无机填料之间的界面结合力较差，从而导致力学性能较低，但如果添加量过高，其中多余组分不起到一个界面结合的作用就会对材料的力学性能起到负面作用。
可选地，所述石墨烯的参数为:BET≥180m2/g，D50≤27μm，氧的质量分数<1％，BET越大、氧质量分数越小，相应的石墨烯导电性能越好。单独添加导电能使材料的导电性能达标，但是材料的力学下降严重，不利于成型后的常规使用，石墨烯的加入能够在提升材料导电性能的同时(例：0.5％的石墨烯即可使材料原本表面电阻为108Ω的HDPE复合材料提升至≤106Ω)，还能提升力学性能(例：0.5％的石墨烯可使HDPE复合材料的拉伸强度提升≥10％)。石墨烯能够在低添加量(0.1-1％)的条件下，不仅能提升材料的导电性能，同时也能提升材料的力学性能，能够使材料满足导电环境下的使用需求，并具有优异的力学性能。
可选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010或/和抗氧剂168。
可选地，所述抗紫外剂为UV531或/和UV770。
可选地，所述润滑剂为芥酸酰胺、硬脂酸锌或硬脂酸钙中的一种或几种。
根据本发明的另一个方面，提供一种上述托辊用石墨烯导电高分子复合材料的制备方法，包括：
称量高密度聚乙烯、石墨烯、接枝剂、导电剂、抗氧剂、抗紫外剂和润滑剂，并放于高速搅拌机中混合搅拌作为混合物料(粉料)，优选地，搅拌时间为10-30min；
经料斗同时将混合物料(粒料和粉料)通过失重称加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，称量无碱玻璃纤维，在双螺杆挤出机运行的过程中将无碱玻璃纤维加入至加纤口，将混合物料和称量无碱玻璃纤维混合挤出，得到托辊用石墨烯导电高分子复合材料，优选地，双螺杆挤出机的喂料速度为30-50rpm，主机转速为300-500rpm，玻纤从加纤口加进去的，而加纤口直连着螺杆，相同喂料速度下，主机转速越高，玻璃纤维含量越高。
根据本发明的第三个方面，提供一种上述托辊用石墨烯导电高分子复合材料在托辊中的应用。
本发明所述托辊用石墨烯导电高分子复合材料及其制备方法加入石墨烯，在提升材料导电性能的同时提升力学性能，并且加工工艺简单、制造成本低廉、具有较高的性价比。
本发明所述石墨烯导电高分子复合材料具有良好的综合性能，与市场上传统的钢制托辊相比有较好的优势和应用前景。本发明石墨烯导电高分子复合材料制作的托辊具有高强度、制造成本低廉、重量轻、对挤出机要求低等优点。
目前的市场上托辊大多是由钢制作而成，原材料成本较高，质量重，而本发明中，以通用塑料高密度聚乙烯作为基体材料来制备具有导电性能的托辊专用料具有更低的成本，对设备要求低、加工成型工艺简单、优势明显。
本发明石墨烯导电高分子复合材料生产出的托辊因具备质量轻，易更换维修等优点可代替常规钢制托辊用于矿山、化工、码头、盐场等场景。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯67份、无碱玻璃纤维25份、导电剂3份、石墨烯0.1份、接枝剂4份、抗氧剂0.1份、抗紫外剂0.5份、润滑剂0.3份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径14微米；
导电剂为：导电炭黑
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为260m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV531；
润滑剂为：硬脂酸锌。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法如下：
将上述配方中的树脂、石墨烯与其他填料(接枝剂、导电剂、抗氧剂、抗紫外剂和润滑剂)准确称取并放于高速搅拌机中混合搅拌作为粉料，时间为10-30min，然后经料斗同时将粒料和粉料通过失重称准确加入到双螺杆挤出机中进行挤出，同时，在双螺杆挤出机运行的过程中将一定根数的无碱玻璃纤维按配方量加入至加纤口，调整喂料速率至30-50rpm、主机转速至300-500rpm，使得最终粒子的无碱玻璃纤维含量符合配方中的添加量。最终制备得到托辊用石墨烯导电高分子复合材料。
其中，双螺杆挤出的参数设置如下：第一段至第十段的温度分别为180℃、190℃、210℃、220℃、220℃、220℃、220℃、220℃、220℃、220℃，机头温度为240℃，主机转速为400rpm，喂料速率为40rpm。经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
实施例2
本实施例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯70份、无碱玻璃纤维20份、导电剂6份、石墨烯0.5份、接枝剂2份、抗氧剂0.3份、抗紫外剂0.2份、润滑剂1份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：导电炭黑
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为220m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂168；
抗紫外剂为：UV770；
润滑剂为：硬脂酸钙。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
实施例3
本实施例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯67份、无碱玻璃纤维25份、导电剂6份、石墨烯0.5份、接枝剂1份、抗氧剂0.2份、抗紫外剂0.2份、润滑剂0.1份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：导电炭黑
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为260m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV770；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
实施例4
本实施例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯60份、无碱玻璃纤维24份、导电剂10份、石墨烯0.1份、接枝剂5份、抗氧剂0.3份、抗紫外剂0.3份、润滑剂0.3份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径14微米；
导电剂为：导电炭黑
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为260m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂168；
抗紫外剂为：UV531；
润滑剂为：硬脂酸钙。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
实施例5
本实施例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯66份、无碱玻璃纤维30份、导电剂1份、石墨烯1份、接枝剂1份、抗氧剂0.5份、抗紫外剂0.1份、润滑剂0.4份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：碳纳米管
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为260m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV770；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
对比例1
本对比例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯65份、无碱玻璃纤维25份、导电剂5份、接枝剂4份、抗氧剂0.3份、抗紫外剂0.3份、润滑剂0.4份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：碳纳米管
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV531；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本对比例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
对比例2
本对比例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯68份、无碱玻璃纤维25份、导电剂6份、石墨烯0.5份、抗氧剂0.1份、抗紫外剂0.2份、润滑剂0.2份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：导电炭黑
石墨烯的BET为260m2/g，D50为27μm，氧的质量分数为0.8％，选用常州第六元素材料科技股份有限公司生产的增强型石墨烯产品(产品型号:SE1430)；
抗氧剂为：抗氧剂168；
抗紫外剂为：UV531；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本对比例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
对比例3
本对比例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯63份、无碱玻璃纤维25份、导电剂5份、石墨烯0.2份、接枝剂6份、抗氧剂0.1份、抗紫外剂0.3份、润滑剂0.4份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径13微米；
导电剂为：碳纳米管
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV531；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本对比例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
对比例4
本对比例的托辊用导电高分子复合材料，原料组分和重量份配比为：
高密度聚乙烯64份、无碱玻璃纤维24份、导电剂8份、石墨烯0.8份、接枝剂2.5份、抗氧剂0.2份、抗紫外剂0.2份、润滑剂0.3份，共计100份。
其中，高密度聚乙烯的规格为：100级聚乙烯，分子量10万；
无碱玻璃纤维的直径14微米；
导电剂为：导电炭黑
接枝剂为：PE接枝马来酸酐；
石墨烯的BET为170m2/g，D50为30μm，氧的质量分数为1.05％，由常州先丰纳米提供；
抗氧剂为：抗氧剂1010；
抗紫外剂为：UV770；
润滑剂为：芥酸酰胺。
本实施例的托辊用导电高分子复合材料的制备方法与实施例1制备方法相同。
经双螺杆挤出造粒，将所得粒子进行制样以测试性能。
其中实施例1-5以及对比例1-3所用原材料除石墨烯外均来源于市售。
对实施例1-5以及对比例1-3所制备的托辊用导电高分子复合材料的性能分别采用如下的测试方法及测试标准进行测试：
导电：GB/T1410-2006。
拉伸强度：GB/T1040.1-2006。
弯曲强度：GB/T9341-2008。
弯曲模量：GB/T9341-2008。
密度：GB/T1033.1-2008。
邵氏硬度：GB/T2411-2008。
测试结果见表1(表1中各项数值均为测试同批次的三个样品所得到的平均值)：
表1
从上表可以看出，本发明石墨烯导电高分子复合材料主要性能数据如下：导电性能即表面电阻≤106Ω，拉伸强度≥50MPa，弯曲强度≥60MPa，弯曲模量≥2500MPa，密度≤1.25g/cm3，硬度(Shore Hardness)≥60D。其中本发明中材料的表面电阻达到≤104Ω，满足制作托辊轴承座制品的要求。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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