本发明涉及一种环境友好的高强度树脂铅笔芯及其制备方法，本发明属于文体用品技术领域。
背景技术：
树脂铅笔芯是一种采用含碳的高分子树脂代替传统黏土作为粘结剂的铅笔芯，具有书写顺滑、磨耗低，挠曲强度高，书写性能好等优点。随着科技的不断发展，国内外市场对树脂铅笔芯的需求量越来越大，同时对树脂铅笔芯的品质要求也越来越高。石墨作为树脂铅笔芯的原料之一，主要在树脂铅笔芯中发挥着提高书写黑度的作用。但石墨片表面呈惰性状态且自身表面能较高，因而其极易发生自聚，且难以在树脂基体中均匀分散。而树脂铅笔芯在书写过程中要具有清晰的书写痕迹就要求石墨的用量大，但石墨用量过多会导致树脂铅笔芯变脆，在使用过程中笔尖受力极容易断裂，影响书写者的使用体验，引入量过少又会导致铅笔芯着色力低，书写痕迹不清晰。此外，现有的树脂铅笔芯采用的树脂粘结剂常需通过有机溶剂进行溶解，从而在加工过程中容易导致操作人员毒害和环境污染等一系列安全问题。因此，迫切需要在提高树脂铅笔芯强度的同时，寻求更加环境友好的加工工艺进行生产。
技术实现要素：
为了解决树脂铅笔芯受力容易断裂、加工工艺对环境不友好等问题，本发明提供了一种将亲水性陶瓷纳米材料mxene负载到石墨片表面制备出一种复合粒子(mxene/石墨)，再将mxene/石墨复合粒子与水溶性树脂进行共混，按照传统工艺加工制备树脂铅笔芯的方法。该方法不仅能增强树脂铅笔芯的强度、书写舒适度，而且能避免加工过程中使用有毒有害的有机溶剂，在不提高生产成本的同时，能够真正做到加工工艺的绿色环保。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种环境友好的高强度树脂铅笔芯的制备方法，包括以下步骤：
1)将石墨与mxene分散于水中，超声搅拌分散0.5～3h后，移入水热反应釜中，在室温～180℃进行高温共混0.5～24h，即得到mxene改性的石墨；
2)以mxene/石墨复合粒子替代纯石墨，将其与水溶性树脂按照制铅笔芯制芯工艺配料并按照传统加工工艺制备出综合性能优异的树脂铅芯。具体工艺包括如下步骤：共混、辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
作为本发明的进一步改进，mxene：石墨：水的质量分数比为0.1～5：10：100～5000。
作为本发明的进一步改进，步骤1)中，mxene的组成包括ti3c2mxene、ti2cmxene、ta4c2mxene、tinbcmxene、v2cmxene、nb4c3mxene和ti3cnmxene的一种或多种复合。
作为本发明的进一步改进，步骤1)中，mxene的平面尺寸在0.2～50μm。
作为本发明的进一步改进，步骤2)中，水溶性树脂包括聚乙烯醇、水性聚氨酯、水性聚丙烯酰胺、水性酚醛、水性聚酰胺乙二醛和水性醇酸树脂的一种或多种复合。
一种环境友好的高强度树脂铅笔芯，由所述的制备方法制得。
所述树脂铅芯的直径规格范围为0.2mm～5.6mm。
所述树脂铅芯的直径规格为0.5mm和0.7mm。
所述树脂铅芯的直径规格为0.5mm时，弯曲强度为329～341mpa，动态摩擦系数为0.269～0.297。
所述树脂铅芯的直径规格为0.7mm时，弯曲强度为517mpa，动态摩擦系数为0.294。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明将亲水性的mxene负载在石墨上替代传统石墨，由于mxene表面含有羟基、羧基等亲水性官能团，将其负载在石墨上有利于提高石墨的亲水性，将其加入到亲水性的树脂中，能够使得石墨在树脂中均匀分散，从而能够在对树脂铅芯增强增韧的同时，充分发挥石墨本身的着色与润滑性。同时，mxene是一种层状的二维陶瓷纳米材料，其类石墨烯的层状结构使其具有良好的自润滑性能，能够提高树脂铅笔芯的润滑性，在书写过程中能够更加顺畅。除此之外，mxene作为一种陶瓷材料具有热稳定性好的优点，将其负载在石墨上有利于石墨片层的剥离，从而保证在相同质量下改性后的石墨占有更大的体积，在铅笔芯烧结过程中具有更高的成炭率，制备出来的铅笔芯更加紧实，性能更加稳定。在产品性能方面，本发明制备的树脂铅笔芯具有力学性能优异、书写润滑性好且着色度佳等特点，是一款综合性能优异的高强度树脂铅笔芯。在加工工艺方面，该方法能够在不改变原有加工工艺的同时，以水为分散介质，以水溶性树脂替代原有油溶性树脂，从而在加工和煅烧过程中不产生有毒有害污染物，具有操作简单、产品性能好、对环境友好等特点，适用于未来大规模工业生产。
具体实施方式
针对树脂铅笔芯强度差、易折断的缺点，现有工艺技术中常在树脂铅笔芯中引入纳米粒子，利用纳米粒子的增强效应来提高树脂铅笔芯的强度，研究结果证实这一方法确实能够有效提高树脂铅笔芯的强度。
本发明一种环境友好的高强度树脂铅笔芯及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将石墨与mxene分散于水中，超声搅拌分散0.5～3h后，移入水热反应釜中，在室温～180℃进行高温共混0.5～24h，即得到mxene改性的石墨；其中，mxene：石墨：水的质量分数比为0.1～5：10：100～5000；
(2)以mxene/石墨复合粒子替代纯石墨，将其与水溶性树脂按照制铅笔芯制芯工艺配料并按照传统加工工艺制备出综合性能优异的树脂铅芯。具体工艺包括如下步骤：共混、辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
其中，mxene作为一种新型的类石墨烯层状二维陶瓷纳米材料，本身具有的层状结构赋予其良好的自润滑特性，同时又具有耐高温以及纳米材料具有的增强效应等优点。mxene主要是通过前驱体max相选择性蚀刻其a层而得到的，其表面一般含有大量的羟基、羧基等亲水性官能团，从而使其表现出良好的亲水性。
因此，本发明提出将亲水性良好的mxene负载到石墨上并与水溶性的树脂按照铅笔芯配料工艺制得树脂铅笔芯。通过mxene改性石墨不仅能够赋予石墨一定的亲水性，有效提高其在水溶性树脂中的分散性，充分发挥其增强效应。
同时，mxene又具有良好的自润滑性能、热稳定性和纳米粒子的增强效应，从而赋予树脂铅笔芯良好的力学强度和书写舒适度。此外，树脂铅笔芯在制备成型过程中均以水为分散剂，避免使用有毒有害的有机溶剂，且在煅烧过程中不产生有害废气，不仅有效保障了产品的综合性能，同时符合了绿色环保的加工原则。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明陈述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1)首先，称量10份石墨与0.1份ti2cmxene加入到100份的水中超声搅拌0.5h后，移入水热反应釜中在室温下搅拌反应0.5h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti2cmxene负载的石墨。
2)将ti2cmxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.552mm，弯曲强度为330mpa，动态摩擦系数为0.277。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
实施例2
1)首先，称量10份石墨与0.5份ti3c2mxene加入到1000份的水中超声搅拌1h后，移入水热反应釜中在160℃下搅拌反应18h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti3c2mxene负载的石墨。
2)将ti3c2mxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.549mm，弯曲强度为340mpa，动态摩擦系数为0.269。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
实施例3
1)首先，称量10份石墨与1份v2cmxene加入到2000份的水中超声搅拌1h后，移入水热反应釜中在150℃下搅拌反应18h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti3c2mxene负载的石墨。
2)将ti3c2mxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.553mm，弯曲强度为341mpa，动态摩擦系数为0.279。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
实施例4
1)首先，称量10份石墨与1份ti3c2mxene加入到3000份的水中超声搅拌1h后，移入水热反应釜中在180℃下搅拌反应12h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti3c2mxene负载的石墨。
2)将ti3c2mxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.551mm，弯曲强度为352mpa，动态摩擦系数为0.273。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
实施例5
1)首先，称量10份石墨与2份ti3cnmxene和3份nb4c3加入到5000份的水中超声搅拌2h后，移入水热反应釜中在140℃下搅拌反应24h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti3cnmxene负载的石墨。
2)将ti3cnmxene/nb4c3mxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.557mm，弯曲强度为329mpa，动态摩擦系数为0.297。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
实施例6
1)首先，称量10份石墨与0.1份ti3c2mxene和0.05份v2cmxene加入到5000份的水中超声搅拌3h后，移入水热反应釜中在150℃下搅拌反应24h后，再采用抽滤、干燥，即可制备出ti3c2mxene和v2cmxene负载的石墨。
2)将ti3c2mxene/v2cmxene/石墨复合粒子与聚乙烯醇按照原有配料比在水做溶剂中搅拌共混后，按照原有工艺继续进行辊炼、打棒、挤芯、烘芯、浸油后，即可制备出综合性能优异的树脂铅笔芯。
测试表明，通过该实施例制备的树脂铅笔芯具有非常良好的力学性能和润滑性，铅笔芯的直径为0.738mm，弯曲强度为517mpa，动态摩擦系数为0.294。该方法适用于各个规格的自动铅笔芯和木制铅笔芯。
以上实施例虽只给出了0.5和0.7mm细铅芯的研究结果，但通过实验验证发现，该方法同样适用于制备直径为0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.0mm、1.3mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.6mm、2.8mm、3.0mm、4.0mm和5.6mm等多个规格的铅笔芯，其增强效果同样显著。
本发明的制备的树脂铅笔芯，在产品性能方面，树脂铅笔芯具有力学性能优异、书写润滑性好且着色度佳等特点，是一款综合性能优异的高强度树脂铅笔芯。在加工工艺方面，该方法能够在不改变原有加工工艺的同时，以水为分散介质，以水溶性树脂替代原有油溶性树脂，从而在加工和煅烧过程中不产生有毒有害污染物，具有操作简单、产品性能好、对环境友好等特点，适用于未来大规模工业生产。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。