本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种石墨烯改性的高强度导电聚丙烯粒子及其制备方法。
背景技术：
聚丙烯具有无毒、无味、密度小、优良抗吸湿性、优良抗酸碱腐蚀性、优良抗溶解性等优点，作为一种常用工程塑料被广泛应用于汽车工业、家用电器、管材、机械零件制作等方面。但是聚丙烯也有两个比较大的缺点，强度不够、导电性能极差，在使用过程中容易产生静电危害，因此限制了聚丙烯在电子、医疗等领域的应用。目前，导电塑料主要是以塑料为基体与导电性填料复合而成的。导电性填料主要是金属纤维、金属粉末、碳纤维或炭黑，而这些填料的添加量一般较高才能产生优良的导电性能，这不仅大大提高了原料成本，更重要的是填料分散效果不佳。当添加量较高时影响了塑料基体原有的力学性能，使塑料的力学性能大幅度下降。而石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，同时也是人类已知强度最高的物质，非常牢固坚硬，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。在原子尺度上，石墨烯的结构非常特殊，作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。因此只需要少量石墨烯的添加即可大幅度提高塑料的强度和导电性能。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯改性的高强度导电聚丙烯粒子，通过向聚丙烯粒子中添加石墨烯得到改性聚丙烯材料，具有无毒、无味、密度小、优良抗吸湿性、优良抗酸碱腐蚀性、优良抗溶解性等特点，特别是具有强度高、电导率高的特点。本发明的另一个目的是提供一种上述聚丙烯粒子的制备方法。本发明的技术方案如下：本发明提供了一种石墨烯改性的高强度导电聚丙烯粒子，该聚丙烯粒子由包括以下重量份的组分制成：聚丙烯粒子100份，单层石墨烯0.1-20份，抗氧剂0.01-1份，增塑剂0.1-10份，光稳定剂1-10份，润滑剂1-10份，填料0-40份。所述的聚丙烯粒子为均聚聚丙烯，等规度为60％-95％，分子量为10-30万。所述的单层石墨烯厚度为1-100nm。所述的抗氧剂选自2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、二苯胺、3，5-三级丁基-4-羟基苯基硫醚、对苯二胺或二氢喹啉中的一种或一种以上。所述的增塑剂选自对苯二甲酸甲酯、偏苯三酸三辛酯、偏苯三酸三己酯、柠檬酸三丁酯、柠檬酸三乙酯或乙酰柠檬酸三乙酯中的一种或一种以上。所述的光稳定剂选自羟基二苯甲酮、羟基苯并三唑或水杨酸中的一种或一种以上。所述的润滑剂选自硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡或硬脂酸镁等中的一种或一种以上。所述的填料选自碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、二氧化硅、炭黑或硫酸钙中的一种或一种以上。本发明还提供了一种上述石墨烯改性的高强度导电聚丙烯粒子的制备方法，该方法包括以下步骤：将100份聚丙烯粒子、0.1-20份经过预处理的单层石墨烯、0.01-1份抗氧剂、0.1-10份增塑剂、1-10份光稳定剂、1-10份润滑剂和0-40份填料加入高速混合机中混合均匀，置于真空烘箱中烘干；将干燥好的物料经过计量泵送入双螺杆挤出机进行熔融混炼，经过模头挤出造粒后，得到石墨烯改性的高强度导电聚丙烯粒子。所述的预处理的单层石墨烯处理方法如下：将单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比范围为10-100∶1，高速搅拌，搅拌速度为150-1000rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为30-45KHz，超声分散20-60min后；将分散均匀的单层石墨烯置于90-120℃烘箱内烘干8-24h，除去附着在单层石墨烯上的乙醇溶液，备用。所述的混合均匀的混合温度为100-150℃，混合时间为5-20min。所述的烘干温度为100-120℃，烘干时间为10-24h。所述的双螺杆挤出机长径比为30∶1-70∶1，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为10-50rpm。本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：1、本发明中由于石墨烯加入量少，使得聚丙烯粒子不仅保持了聚丙烯原有优异性能，还较大幅度的提升了其力学性能。2、本发明中加入石墨烯的聚丙烯粒子，大大提高了其导电性能，而其密度确远远小于目前使用广泛的金属材料，因此本发明的聚丙烯粒子可以取代金属材料在电子、医疗等领域得到广泛应用。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1单层石墨烯的预处理：将厚度为1nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为10，高速搅拌，搅拌速度为150rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为30KHz，超声分散20min后；将分散均匀的石墨烯置于90℃烘箱内烘干24h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为60％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、0.1份经预处理的单层石墨烯、0.01份2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、0.1份对苯二甲酸甲酯、1份羟基二苯甲酮、1份硬脂酸加入高速混合机中混合均匀，混合温度为100℃，混合时间为5min，然后置于100℃真空烘箱中烘干10h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为30∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为10rpm。最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例2单层石墨烯的预处理：将厚度为25nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为25，高速搅拌，搅拌速度为200rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为32KHz，超声分散30min后；将分散均匀的石墨烯置于100℃烘箱内烘干16h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为65％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、0.5份经过预处理的单层石墨烯、0.1份二苯胺、1份偏苯三酸三辛酯、2份羟基苯并三唑、2份硬脂酸钙和5份碳酸钙加入高速混合机中混合均匀，混合温度为110℃，混合时间为8min，然后置于110℃真空烘箱中烘干12h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为50∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为30rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例3单层石墨烯的预处理：将厚度为50nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为50，高速搅拌，搅拌速度为300rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为35KHz，超声分散40min后；将分散均匀的石墨烯置于120℃烘箱内烘干8h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为70％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、2份经过预处理的单层石墨烯、0.2份3，5-三级丁基-4-羟基苯基硫醚、2份偏苯三酸三己酯、4份水杨酸、3份硬脂酸锌和10份滑石粉加入高速混合机中混合均匀，混合温度为120℃，混合时间为10min，然后置于110℃真空烘箱中烘干14h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为60∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为40rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例4单层石墨烯的预处理：将厚度为70nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为70，高速搅拌，搅拌速度为400rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为37KHz，超声分散50min后；将分散均匀的石墨烯置于100℃烘箱内烘干12h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为75％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、5份经过预处理的单层石墨烯、0.3份对苯二胺、4份柠檬酸三丁酯、5份水杨酸、5份聚乙烯蜡和15份硫酸钡加入高速混合机中混合均匀，混合温度为130℃，混合时间为12min，然后置于100℃真空烘箱中烘干16h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为70∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为50rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例5单层石墨烯的预处理：将厚度为80nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为80，高速搅拌，搅拌速度为550rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为40KHz，超声分散60min后；将分散均匀的石墨烯置于100℃烘箱内烘干12h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为80％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、8份经过预处理的单层石墨烯、0.5份二氢喹啉、5份柠檬酸三乙酯、5份羟基苯并三唑、6份聚丙烯蜡和20份二氧化硅加入高速混合机中混合均匀，混合温度为130℃，混合时间为15min，然后置于120℃真空烘箱中烘干18h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为60∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为50rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例6单层石墨烯的预处理：将厚度为90nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为90，高速搅拌，搅拌速度为650rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为42KHz，超声分散60min后；将分散均匀的石墨烯置于100℃烘箱内烘干12h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为85％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、10份经过预处理的单层石墨烯、0.7份2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、7份乙酰柠檬酸三乙酯、6份羟基二苯甲酮、8份硬脂酸镁和25份炭黑加入高速混合机中混合均匀，混合温度为140℃，混合时间为16min，然后置于120℃真空烘箱中烘干19h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为50∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为45rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例7单层石墨烯的预处理：将厚度为100nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为100，高速搅拌，搅拌速度为800rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为43KHz，超声分散60min后；将分散均匀的石墨烯置于100℃烘箱内烘干12h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为90％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、15份经过预处理的单层石墨烯、0.8份二氢喹啉、8份乙酰柠檬酸三乙酯、7份水杨酸、9份聚乙烯蜡和30份硫酸钙加入高速混合机中混合均匀，混合温度为150℃，混合时间为18min，然后置于120℃真空烘箱中烘干20h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为50∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为45rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。实施例8单层石墨烯的预处理：将厚度为50nm的单层石墨烯溶于乙醇中，乙醇与石墨烯的重量比为50，高速搅拌，搅拌速度为1000rpm，搅拌同时将其置于超声池中，超声频率为45KHz，超声分散40min后；将分散均匀的石墨烯置于120℃烘箱内烘干8h，除去附着在石墨烯上的乙醇溶液，备用。将100份等规度为95％分子量为10-30万的均聚聚丙烯粒子、20份经过预处理的单层石墨烯、1份2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、10份柠檬酸三乙酯、10份羟基苯并三唑、10份硬脂酸锌、10份碳酸钙和30份滑石粉加入高速混合机中混合均匀，混合温度为150℃，混合时间为20min，然后置于120℃真空烘箱中烘干24h。将混合好的料经过计量泵后送入双螺杆挤出机，长径比为50∶1，进行熔融混炼，双螺杆温度设置为140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，挤出机转速为45rpm，最后经过模头挤出造粒后即可。所制样品的相关性能见表1。对比例1本实施例中石墨烯的用量为0份，其他投料及工艺步骤同实施例8，所制样品的相关性能见表1。表1由表1中数据可以看到随着石墨烯含量的增加，聚丙烯粒子的力学性能显著上升；而其电阻率下降显著下降，仅添加0.1份石墨烯后粒子的导电性能提高了107倍以上，当石墨烯添加量达到20份时，其电阻率仅为1.4*10-3Ω.m，达到了半导体的导电效果。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。