本發(fā)明涉及聚丙烯復(fù)合材料制造領(lǐng)域，具體涉及一種能廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、冶金等行業(yè)耐高溫、耐壓、耐腐蝕性聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在常用的壓濾機(jī)板材材料由聚丙烯及其碳酸鈣、滑石粉或玻璃纖維等組成，在化工等行業(yè)特別對(duì)高溫、耐化學(xué)腐蝕強(qiáng)的固液分離中明顯表現(xiàn)適應(yīng)性不強(qiáng)，具有維護(hù)成本高、使用壽命短等缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，國內(nèi)開始研究新型聚丙烯復(fù)合材料用作壓濾機(jī)板材材料，由于石墨烯材料與其他礦物基材料相比具有優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕和增強(qiáng)性能，因而已成為新型聚丙烯復(fù)合材料的重要原料。目前已有一些對(duì)于石墨改性聚丙烯材料的研究、開發(fā)和專利文獻(xiàn)報(bào)道，作為一種新材料研究探索和新產(chǎn)品開發(fā)，已成功利用石墨改性聚丙烯列管式反應(yīng)釜替代搪玻璃反應(yīng)釜，以及研發(fā)石墨改性聚丙烯作為化工反應(yīng)塔板、熱交換器、散熱器等，但這些材料中僅采用石墨作改性劑，使聚丙烯的傳熱、導(dǎo)電等性能得到改善，但作為壓濾機(jī)板材材料其強(qiáng)度等性能明顯偏低，而針對(duì)壓濾機(jī)板材所需的石墨烯改性增強(qiáng)聚丙烯新材料研究應(yīng)用方面尚屬空白，導(dǎo)致了現(xiàn)行的聚丙烯材料在耐熱性、耐腐蝕性和耐高壓都有較高要求下進(jìn)行廢液或原料固液壓濾分離中其性能明顯不足，影響了其應(yīng)用范圍，同時(shí)其使用壽命較短，成本也大大增加。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了實(shí)現(xiàn)克服現(xiàn)有聚丙烯材料的不足，本發(fā)明提供了一種強(qiáng)度高、性能優(yōu)良的新型聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種改性聚丙烯復(fù)合材料，其成分按質(zhì)量計(jì)包括以下組分：聚丙烯50～80份、石墨烯粉5~20份、玻璃纖維8~20份、有機(jī)鉻絡(luò)合物1～2.2份、不飽和羧酸與聚丙烯的接枝物相溶劑0.4～7.4份、馬來酸酐相溶劑0.6～1.6份、鋯酸酯1～1.8份、亞磷酸酯1～4份。
本發(fā)明所述的一種改性聚丙烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）按質(zhì)量份數(shù)稱取各原料；
（2）將石墨烯粉進(jìn)行高速熱攪拌，將有機(jī)鉻絡(luò)合物投入石墨烯粉中進(jìn)行表面處理后出料；
（3）將干燥的玻璃纖維通過馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕并在90～140℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；
（4）將聚丙烯、不飽和羧酸與聚丙烯的接枝物相溶劑、亞磷酸酯以及步驟（2）經(jīng)表面處理后的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并進(jìn)行高速攪拌形成石墨烯/聚丙烯混合料；
（5）將步驟（4）中石墨烯/聚丙烯混合料和步驟（3）中烘干后的玻璃纖維在擠出機(jī)中進(jìn)行熔融、剪切、混煉、均化，并拉條及冷卻、切粒后得到石墨烯改性聚丙烯顆粒；
（6)）將步驟（5）中所得的石墨烯改性聚丙烯顆粒進(jìn)行預(yù)熱干燥，將干燥后的石墨烯改性聚丙烯顆粒進(jìn)行熔料擠出，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)保溫；
（7）將板材模壓機(jī)、成型模具進(jìn)行預(yù)熱，將步驟（6）中經(jīng)過保溫的擠出熔料投入板材模壓機(jī)壓制成板材毛坯后脫模，然后將板材毛坯放入定型機(jī)中冷卻，再將板材毛坯取出放置到溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理后，并在常溫下平放得到石墨烯改性聚丙烯復(fù)合材料。
所述步驟（2）中石墨烯粉在高速混合機(jī)中進(jìn)行熱攪拌，石墨烯粉熱攪拌的溫度為60～90℃，石墨烯粉熱攪拌的時(shí)間為10～20min；所述石墨烯粉中投放有機(jī)鉻絡(luò)合物時(shí)石墨烯粉溫度為85～120℃；所述表面處理溫度為85～135℃，時(shí)間為10～20min；
所述步驟（4）中高速攪拌時(shí)間為8～15分鐘。
所述步驟（5）中擠出機(jī)的擠出溫度為170～250℃，擠出速度為250～350rpm。
所述步驟 (6)中預(yù)熱干燥溫度為60～100℃，時(shí)間為24～48小時(shí)；熔料擠出溫度為170～260℃，擠出速度為800～1200rpm；保溫箱溫度為80～150℃。
所述步驟（7）中板材模壓機(jī)的成型模具預(yù)熱采用蒸汽加熱，溫度為30～80℃，板材模壓機(jī)的成型壓力為10～20MPa，壓制保壓時(shí)間為0.5~2小時(shí)；所述定型機(jī)中冷卻時(shí)間為72~96小時(shí)；所述整平應(yīng)力時(shí)效處理是在40～80℃的溫水中進(jìn)行，處理時(shí)間為72～96小時(shí)；所述平放時(shí)間至少為120小時(shí)以上。
本發(fā)明的有益效果是：
（1）本發(fā)明采用石墨烯粉末對(duì)玻璃纖維/聚丙烯的復(fù)合增強(qiáng)改性，利用石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能，添加到聚合物基體中，很好地改善材料的力學(xué)性能，進(jìn)一步強(qiáng)化了板材的耐熱、機(jī)械性能和耐腐蝕性的功能作用，不同程度賦予了板材在適應(yīng)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕條件下優(yōu)異的綜合特性；
（2）本發(fā)明采用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒、單螺桿擠出機(jī)多段混煉熔融擠出、高壓成型工藝及板材成型后的應(yīng)力釋放等多階段時(shí)效處理工藝，有效地消除由于聚丙烯復(fù)合材料板材成型加工中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，確保板材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、性能優(yōu)異，在溫度、壓力、化學(xué)腐蝕多重用條件下具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
（3）本發(fā)明產(chǎn)品耐高溫、高壓性能增強(qiáng)，耐溫性能比常規(guī)板材由較大提高，使用范圍更廣，具有比現(xiàn)行的壓濾機(jī)板材耐化學(xué)腐蝕性更強(qiáng)，在較高溫度、較高壓力條件下，板材使用壽命長，降低了維護(hù)成本。
（4）本發(fā)明的板材的性價(jià)比高，可以完全循環(huán)再生利用，在各個(gè)環(huán)節(jié)做到無污染。
綜上所述，本發(fā)明的石墨烯改性增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料與現(xiàn)行普通板材相比，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性能及優(yōu)異物理機(jī)械性能。在經(jīng)過優(yōu)化的配方組成及制備工藝條件下，材料耐熱性可達(dá)到120～180℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)35～45MPa，彎曲強(qiáng)度40～52MPa，沖擊強(qiáng)度為10～14.8KJ/m2，其壽命能比現(xiàn)行材料延長1～3年，并使壓濾機(jī)擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，因此研究開發(fā)石墨烯改性聚丙烯復(fù)合材料及制備其壓濾機(jī)板材，具有較大應(yīng)用價(jià)值和意義，是值得推廣應(yīng)用的發(fā)明。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的特點(diǎn)
實(shí)施例1：
（1）配料：按以下質(zhì)量稱取各組分原料：13g石墨烯粉、68g聚丙烯、15g玻璃纖維、2.8g PP-g-MAH相溶劑、1.2g馬來酸酐相溶劑、2.4g有機(jī)鉻絡(luò)合物、0.6g鋯酸酯、3g亞磷酸酯；
（2）先對(duì)石墨烯粉和玻璃纖維分別進(jìn)行表面處理，將石墨烯粉在高速混合機(jī)達(dá)到80℃時(shí)投入其中進(jìn)行熱攪拌，熱攪拌時(shí)間為15min，到達(dá)時(shí)間并且石墨烯粉溫度達(dá)到95℃時(shí)投入有機(jī)鉻絡(luò)合物一起熱攪拌，同時(shí)將投入有機(jī)鉻絡(luò)合物的石墨烯粉溫度升至110℃，使石墨烯粉在至110℃下熱攪拌12min進(jìn)行表面處理后出料；再將干燥后的玻璃纖維使用馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕處理，并在120℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；然后將PP、不飽和羧酸與PP接枝物相容劑、亞磷酸酯、經(jīng)表面處理的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并在常溫下混合10分鐘，形成石墨/PP混合料；
將上述的石墨烯/PP混合料和經(jīng)表面偶聯(lián)接枝并烘干后的玻璃纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒形成石墨改性增強(qiáng)PP顆粒料，雙螺桿擠出機(jī)的擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端180℃，其余各段為230℃，擠出速度為320rpm；
將雙螺桿擠出機(jī)擠出的石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料在80℃的溫度下放置36小時(shí)進(jìn)行預(yù)熱干燥；然后用單螺桿擠出機(jī)將石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料熔融擠出，單螺桿擠出機(jī)擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端230℃，其余端260℃，擠出速度900rpm，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)，保溫箱溫度控制在125℃；通過板材模壓機(jī)將單螺桿擠出機(jī)擠出的熔料壓制成型，先將模具采用蒸汽加熱至55℃，然后將擠出的熔料投入板材模壓機(jī)模具中壓制成型，壓制工藝參數(shù)為：板材成型壓力18MPa，保壓時(shí)間為1.2小時(shí)，將壓制后的材料取出放入定型機(jī)中96小時(shí)，再取出放置到45℃的溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理96小時(shí)，再平放在正常環(huán)境溫度下120小時(shí)作為材料半成品。
經(jīng)測試，板材主要性能為：板材變形溫度178℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)45MPa,，彎曲強(qiáng)度52MPa，沖擊強(qiáng)度為13.5.8KJ/m2，在壓力2MPa、保壓10分鐘耐壓試驗(yàn)下無破裂現(xiàn)象。
實(shí)施例2：
（1）配料：按以下質(zhì)量稱取各組份原料： 5g石墨烯粉、84g聚丙烯、20g玻璃纖維、7.4 g PP-g-MAH相溶劑、0.6g馬來酸酐相溶劑、1.0g有機(jī)鉻絡(luò)合物、1.0g鋯酸酯、3g亞磷酸酯。
（2）先對(duì)石墨烯粉和玻璃纖維分別進(jìn)行表面處理，將石墨烯粉在高速混合機(jī)達(dá)到85℃時(shí)投入其中進(jìn)行熱攪拌，熱攪拌時(shí)間為20min，到達(dá)時(shí)間并且石墨烯粉溫度達(dá)到90℃時(shí)投入有機(jī)鉻絡(luò)合物一起熱攪拌，同時(shí)將投入有機(jī)鉻絡(luò)合物的石墨烯粉溫度升至120℃，使石墨烯粉在至120℃下熱攪拌10min進(jìn)行表面處理后出料；再將干燥后的玻璃纖維使用馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕處理，并在120℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；然后將 PP、不飽和羧酸與PP接枝物相容劑、亞磷酸酯、經(jīng)過表面處理的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并在常溫下混合15分鐘，形成石墨/PP混合料；
將上述的石墨烯/PP混合料和經(jīng)表面偶聯(lián)接枝并烘干后的玻璃纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒形成石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料，雙螺桿擠出機(jī)的擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端170℃，其余各段為220℃，擠出速度為350rpm；
將雙螺桿擠出機(jī)擠出的石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料在120℃的溫度下放置24小時(shí)進(jìn)行預(yù)熱干燥；然后用單螺桿擠出機(jī)將石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料熔融擠出，單螺桿擠出機(jī)擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端180℃，其余端210℃，擠出速度800rpm，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)，保溫箱溫度控制在150℃；通過板材模壓機(jī)將單螺桿擠出機(jī)擠出的熔料壓制成型，先將模具采用蒸汽加熱至30℃，然后將擠出的熔料投入板材模壓機(jī)模具中壓制成型，壓制工藝參數(shù)為：板材成型壓力15MPa，保壓時(shí)間為2小時(shí)，將壓制后的板材坯取出放入定型機(jī)中72小時(shí)，再取出放置到50℃的溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理72小時(shí)，再平放在正常環(huán)境溫度下150小時(shí)作為材料半成品。
經(jīng)測試，板材主要性能為：板材變形溫度168℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)42MPa，彎曲強(qiáng)度45MPa，沖擊強(qiáng)度為12. 5KJ/m2，在壓力1.6MPa、保壓15分鐘的耐壓試驗(yàn)下無裂紋。
實(shí)施例3：
（1）配料：按以下質(zhì)量稱取各組份原料：20g石墨烯粉、52g聚丙烯、10g玻璃纖維、1.4g相溶劑、0.6g馬來酸酐相溶劑、3.6g有機(jī)鉻絡(luò)合物、0.4g鋯酸酯、1g亞磷酸酯。
（2）先對(duì)石墨烯粉和玻璃纖維分別進(jìn)行表面處理，將石墨烯粉在高速混合機(jī)達(dá)到90℃時(shí)投入其中進(jìn)行熱攪拌，熱攪拌時(shí)間為20min，到達(dá)時(shí)間并且石墨烯粉溫度達(dá)到100℃時(shí)投入有機(jī)鉻絡(luò)合物一起熱攪拌，同時(shí)將投入有機(jī)鉻絡(luò)合物的石墨烯粉溫度升至120℃，使石墨烯粉在至120℃下熱攪拌15min進(jìn)行表面處理后出料；再將干燥后的玻璃纖維使用馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕處理，并在120℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；然后將PP、不飽和羧酸與PP接枝物相容劑、亞磷酸酯、經(jīng)過表面處理的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并在常溫下混合8分鐘，形成石墨/PP混合料；
將上述的石墨烯/PP混合料和經(jīng)表面偶聯(lián)接枝并干燥處理后的玻璃纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒形成石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料，雙螺桿擠出機(jī)的擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端230℃，其余各段為250℃，擠出速度為280rpm；
將雙螺桿擠出機(jī)擠出的石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料在60℃的溫度下放置24小時(shí)進(jìn)行預(yù)熱干燥；然后用單螺桿擠出機(jī)將石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料熔融擠出，單螺桿擠出機(jī)擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端250℃，其余端260℃，擠出速度1000rpm，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)，保溫箱溫度控制在80℃；通過板材模壓機(jī)將單螺桿擠出機(jī)擠出的熔料壓制成型，先將模具采用蒸汽加熱至80℃，然后將擠出的熔料投入板材模壓機(jī)模具中壓制成型，壓制工藝參數(shù)為：板材成型壓力20MPa，保壓時(shí)間為0.5小時(shí)，將壓制后的板材坯取出放入定型機(jī)中84小時(shí)，再取出放置到45℃的溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理72小時(shí)，再平放在正常環(huán)境溫度下180小時(shí)作為材料半成品。
經(jīng)測試，板材主要性能為：板材變形溫度148℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)38MPa，彎曲強(qiáng)度43MPa，沖擊強(qiáng)度為10. 5KJ/m2，在壓力1.3MPa、保壓10分鐘的耐壓試驗(yàn)下無裂紋。
實(shí)施例4：
（1）配料：按以下質(zhì)量稱取各組份原料：20g石墨烯粉、84g聚丙烯、20g玻璃纖維、4.4g相溶劑，1.6g馬來酸酐相溶劑、3g有機(jī)鉻絡(luò)合物、1g鋯酸酯、4g亞磷酸酯。
（2）先對(duì)石墨烯粉和玻璃纖維分別進(jìn)行表面處理，將石墨烯粉在高速混合機(jī)達(dá)到80℃時(shí)投入其中進(jìn)行熱攪拌，熱攪拌時(shí)間為18min，到達(dá)時(shí)間并且石墨烯粉溫度達(dá)到90℃時(shí)投入有機(jī)鉻絡(luò)合物一起熱攪拌，同時(shí)將投入有機(jī)鉻絡(luò)合物的石墨烯粉溫度升至90℃，使石墨烯粉在至90℃下熱攪拌15min進(jìn)行表面處理后出料；再將干燥后的玻璃纖維使用馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕處理，并在130℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；然后將 PP、不飽和羧酸與PP接枝物相容劑、亞磷酸酯、經(jīng)過表面處理的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并在常溫下混合8分鐘，形成石墨/PP混合料；
將上述的石墨烯/PP混合料和經(jīng)表面偶聯(lián)接枝并干燥處理后的玻璃纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒形成石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料，雙螺桿擠出機(jī)的擠出工藝條件為：擠出溫度各段均為230℃，擠出速度為350rpm；
將雙螺桿擠出機(jī)擠出的石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料在110℃的溫度下放置45小時(shí)進(jìn)行預(yù)熱干燥；然后用單螺桿擠出機(jī)將石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料熔融擠出，單螺桿擠出機(jī)擠出工藝條件為：擠出溫度各端均220℃，擠出速度950rpm，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)，保溫箱溫度控制在110℃；通過板材模壓機(jī)將單螺桿擠出機(jī)擠出的熔料壓制成型，先將模具采用蒸汽加熱至58℃，然后將擠出的熔料投入板材模壓機(jī)模具中壓制成型，壓制工藝參數(shù)為：板材成型壓力10MPa，保壓時(shí)間為1.4小時(shí)，將壓制后的板材坯取出放入定型機(jī)中95小時(shí)，再取出放置到50℃的溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理95小時(shí)，再平放在正常環(huán)境溫度下170小時(shí)作為材料半成品。
經(jīng)測試，板材主要性能板材變形溫度168℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)39MPa,，彎曲強(qiáng)度44MPa,沖擊強(qiáng)度為10. 5KJ/m2，在壓力1.5MPa、保壓10分鐘的耐壓試驗(yàn)下無裂紋。
實(shí)施例5：
（1）配料：按以下質(zhì)量稱取各組份原料：13g石墨烯粉、68g聚丙烯、15g玻璃纖維、2.8g相溶劑，1.2g馬來酸酐相溶劑、2.4g有機(jī)鉻絡(luò)合物、0.6g鋯酸酯、4g亞磷酸酯。
（2）先對(duì)石墨烯粉和玻璃纖維分別進(jìn)行表面處理，將石墨烯粉在高速混合機(jī)達(dá)到80℃時(shí)投入其中進(jìn)行熱攪拌，熱攪拌時(shí)間為15min，到達(dá)時(shí)間并且石墨烯粉溫度達(dá)到90℃時(shí)投入有機(jī)鉻絡(luò)合物一起熱攪拌，同時(shí)將投加有機(jī)鉻絡(luò)合物的石墨烯粉溫度升至90℃，使石墨烯粉在至90℃下熱攪拌10min進(jìn)行表面處理后出料；再將干燥后的玻璃纖維使用馬來酸酐相溶劑和鋯酸酯進(jìn)行表面浸濕處理，并在90℃熱風(fēng)循環(huán)下烘干；然后將 PP、不飽和羧酸與PP接枝物相容劑、亞磷酸酯、經(jīng)過表面處理的石墨烯粉依次向高速混合機(jī)中投加并在常溫下混合9分鐘，形成石墨烯/PP混合料；
將上述的石墨烯/PP混合料和經(jīng)表面偶聯(lián)接枝并干燥處理后的玻璃纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒形成石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料，雙螺桿擠出機(jī)的擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端200℃，其余各段為250℃，擠出速度為350rpm；
將雙螺桿擠出機(jī)擠出的石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料在75℃的溫度下放置45小時(shí)進(jìn)行預(yù)熱干燥；然后用單螺桿擠出機(jī)將石墨烯改性增強(qiáng)PP顆粒料熔融擠出，單螺桿擠出機(jī)擠出工藝條件為：擠出溫度為進(jìn)料端230℃，其余端260℃，擠出速度950rpm，擠出的熔料放置于保溫箱內(nèi)，保溫箱溫度控制在130℃；通過板材模壓機(jī)將單螺桿擠出機(jī)擠出的熔料壓制成型，先將模具采用蒸汽加熱至56℃，然后將擠出的熔料投入板材模壓機(jī)模具中壓制成型，壓制工藝參數(shù)為：板材成型壓力10MPa，保壓時(shí)間為1.4小時(shí)，將壓制后的板材坯取出放入定型機(jī)中95小時(shí)，再取出放置到50℃的溫水中進(jìn)行整平應(yīng)力時(shí)效處理95小時(shí)，再平放在正常環(huán)境溫度下170小時(shí)作為材料半成品。
經(jīng)測試，板材主要性能板材變形溫度155℃，拉伸強(qiáng)度達(dá)42.5MPa，彎曲強(qiáng)度44MPa，沖擊強(qiáng)度為10 .1KJ/m2，單面耐壓壓力達(dá)1.41MPa。