CN101067031A - 纳米炭黑改性的导电塑料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米碳黑改性的导电塑料的制备方法。本发明所述的一种纳米碳黑改性的导电塑料的制备方法，包括以下步骤：选择30nm的纳米级碳黑为导电载流子，通过偶联剂和分散油处理得到处理好的碳黑，加入PE粉料混合后在挤出机中挤出，得到含碳黑达到30％的块状导电母料；与HIPS混合并加入SBS混合后在挤出机中挤出造粒，烘干，打包，得到所述的导电塑料材料。本发明所述的纳米碳黑改性的导电塑料的制备方法，可获得导电性能优良、分散效果良好的导电塑料材料。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，涉及一种导电塑料的制备方法。
背景技术
众所周知，塑料是由许多排列无序的大分子组成的，通电后，当电流增大时，塑料内部会形成凌乱的网状物，并马上停止导电。不仅如此，塑料还常常作为绝缘基体使用，塑料在电子电气中的广泛应用正是基于这一点。然而在20世纪80年代中期，科学家却发现，某些结构的塑料却具有半导体特性，也能传输电流。塑料中加入了具有导电性的载流子，当填充达到一定程度时，就使塑料也具有导电性能。导电塑料具有塑料的密度，又具有金属的导电性和塑料的可加工性，还具备金属和塑料所欠缺的化学和电化学性能，是具有广泛应用前景的新兴材料。
导电塑料一般分为结构型和复合型两大类。
结构型材料是一种真正意义的导电塑料，但是合成工艺较复杂，成本较高，目前价格相当昂贵。纯粹的结构型导电高分子聚合物至今只有导电聚苯胺，其它许多导电聚合物几乎均需采用氧化还原、离子化或电化学等手段进行掺杂之后才能有较高的导电性。其代表性的产物有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。还有一种叫做热分解导电高分子，这是把聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理，使之生成与石墨结构相近的物质，从而获得导电性。这些热分解导电高分子的特征是无须掺杂处理，故具有优异的稳定性。
复合型是由导电性物质与高分子材料复合而成。该类别成本稍低，可以满足各种成型要求，是一类已被广泛应用的功能性高分子材料。复合型导电高分子材料的分类有很多种，根据电阻值的不同可分为：半导电体、除静电体、导电体、高导电体；根据树脂的形态不同可分为：导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电胶粘剂、导电薄膜等；还可根据其功能不同分为：防静电材料、除静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料；根据导电填料的不同可分为：抗静电剂系、金属系(各种金属粉末、纤维、片等)、碳系(炭黑、石墨等)，可以根据制品电阻值的要求不同进行调节生产。
碳系的填充物主要是导电炭黑、石墨和碳纤维，制成品的体积电阻率为102-109Ω。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型导电聚合物之所以被广泛采用，其一是因为导电炭黑价格较为低廉；其二是因为炭黑能根据不同的导电性需求有较大的选择余地，它的制成品的电阻值可在102-109Ω之间的宽广范围内变化；其三是导电性持久、稳定；因此是理想的抗静电材料。但是它的制成品仅限于黑色，并对材料性能影响较大，需要配套改性技术。
炭黑作为一种主要载流子填料，得到广泛应用，目前纳米炭黑改性的导电塑料成为导电塑料领域的研发热点，纳米炭黑粒度越小化，处理炭黑的方式更巧妙化，使材料的导电性能更加优越，炭黑的分散效果更好，机械性能更佳，炭黑的导电性能主要决定于炭黑的粒度大小，表面结构特征，粒度越小，导电性能越好，但粒度越小，表面活化能越大，就越容易团聚，就难以分散在塑料中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米炭黑改性的导电塑料的制备方法，以获得导电性能优良、分散效果良好的导电塑料材料。
本发明所述的一种纳米炭黑改性的导电塑料的制备方法，包括以下步骤：
A、选择30nm的纳米级炭黑为导电载流子，处理方法如下：取7.5％重量百分比的粉状炭黑和7.5％重量百分比的柱状炭黑在高速混合机中，用雾化器雾化加入0.5％重量百分比的偶联剂和0.5％重量百分比的分散油，所述的偶联剂和分散油均是用9％重量百分比的白矿油稀释，混合15分钟，得到处理好的炭黑；
B、在高速混合机中，加入25％重量百分比的PE粉料，在高速搅拌下加入步骤A得到的处理好的炭黑，两者混合10分钟；将混合后的粉状物料在挤出机中挤出，得到含炭黑达到30％的块状导电母料；
C、将步骤B得到的导电母料破碎、干燥、在按1∶1的重量比例与HIPS混合，并加入2％重量百分比的SBS充分混合，然后在挤出机中挤出造粒，烘干，打包，得到所述的导电塑料材料；所述HIPS即高抗冲聚苯乙烯，所述SBS即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
在原料方面，粉状炭黑可选用HG-1P型特导电炭黑等，如购自临淄华光化工厂等；柱状炭黑可选用HG-1B型特导电炭黑等，如购自临淄华光化工厂等；白矿油可选用15#牌号白矿油等，如购自南海达成化工有限公司等；分散剂可选用CA-1牌号分散剂等，如购自上海三正高分子材料有限公司等；偶联剂可选用105牌号偶联剂等，如购自岳阳石化公司等。优选的，所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂。PE粉可选7042 PE粉料等，如购自茂名市德恩贸易有限责任公司等。
优选的，所述步骤B和步骤C中的挤出机为平行双螺杆挤出机。
应用平行双螺杆挤出机代替密炼机和普通挤出机可使得混炼效果更好，有利于炭黑更好的分散；平行双螺杆挤出机的捏合力和剪切力均大于密炼机，可显著提高炭黑分散效果。
根据不同产品的要求，所述步骤C中，在混合时还可加入GPPS即通用聚苯乙烯。加入量一般在20％左右，用于调节材料的软硬度，如果材料偏软时，用GPPS可调节到需要的程度。
本发明所述的导电塑料的制备方法与现有技术相比，有以下突出效果：
1、国产导电塑料产品所用的炭黑为普通炭黑和普通乙炔炭黑，而本发明采用粒径为30nm的纳米炭黑，可明显提高材料的导电性能。炭黑填充的导电塑料的导电性能主要取决于炭黑的粒度大小和结构状态，只有炭黑达到一定尺寸才具有良好的导电性能和发散性，粒度越小导电性能越好，但粒度越小，越易团聚，分散性更差，所以通过发明人的反复实验，最后选定粒度为30nm的纳米炭黑作导电塑料的导电填充料。通过30nm纳米炭黑代替乙炔炭黑后，导电性能在原加入量的同时，导电性能(表面电子)小于200Ω，美国卡波特公司同类型的导电塑料表面电阻为1000～1500Ω，国内同类型导电性能为2000～3000Ω(国内产品均使用乙炔炭黑)。
2、在对纳米炭黑的处理方面，本发明首先通过对纳米炭黑有效的偶联处理，改善偶联处理的工艺，处理后再进行分散处理，这样既提高材料的性能，减少了应力聚中点又使导电性能更均匀，避免了炭黑(CB)的大量团聚，减少了应力集中点，改良了炭黑的分散效果，炭黑分散性更好。通过本发明所述方法制备得到的导电塑料产品的表面分散性达到每2平方米一个针点，美国卡波特公司为5平方米为一个针点，而国内其它厂家为每方米5个针点。采用本发明所述的炭黑处理方法，可使炭黑的团聚更少。
3、本发明改变了国内一般的导电塑料配方，通过软硬度调节，达到硬韧较为合理的要求。现有技术采用一般配方为HIPS加炭黑，而本发明改为HIPS加SBS，改善材料的机械性能，提高了导电PS的硬韧性。由本发明所述方法得到的产品的硬度达到L-70，卡波特产品为L-75，国内厂家(如上海三城塑料有限公司等)为L-68。
4、因为纳长炭黑易于团聚，进行处理后的炭黑不完全是成颗粒状，只能通过机械加工，加大剪切和捏合进一步达到分散均匀的效果，因此，本发明把现有技术对于从的一步加工(挤出造粒)完成法改为二步加工(挤出造粒)完成法，同时改现有技术的密炼机密炼为平行双螺杆机挤出捏合，这样分散性更好。现有技术的工艺方法见图1，本发明所述的制备方法请参见图2。如果用炭黑直接与HIPS相混合，直接挤出造粒，这样易分层，炭黑分散性很差，根本不能做片材使用。而本发明改为先生产导电母料，再把生产出的导电料与树脂相混合，放入平行双螺杆挤出机挤出造粒，较好地解决了这个问题。
附图说明
图1为现有技术的制备方法示意图；
图2为本发明所述的制备方法的示意图。
具体实施方式
实施例一：本发明所述的纳米炭黑改性的导电塑料的制备
本发明所述的一种纳米炭黑改性的导电塑料的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
A、选择30nm的纳米级炭黑为导电载流子，处理方法如下：取7.5％重量百分比的粉状炭黑和7.5％重量百分比的柱状炭黑在高速混合机中，用雾化器雾化加入0.5％重量百分比的偶联剂和0.5％重量百分比的分散油，所述的偶联剂和分散油均是用9％重量百分比的白矿油稀释，混合15分钟，得到处理好的炭黑；
B、在高速混合机中，加入25％重量百分比的PE粉料，在高速搅拌下加入步骤A得到的处理好的炭黑，两者混合10分钟；将混合后的粉状物料在挤出机中挤出，得到含炭黑达到30％的块状导电母料；
C、将步骤B得到的导电母料破碎、干燥、在按1∶1的重量比例与HIPS混合，并加入2％重量百分比的SBS充分混合，然后在挤出机中挤出造粒，烘干，打包，得到所述的导电塑料材料；所述HIPS即高抗冲聚苯乙烯，所述SBS即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
在原料方面，粉状炭黑可选用HG-1P型特导电炭黑等，如购自临淄华光化工厂等；柱状炭黑可选用HG-1B型特导电炭黑等，如购自临淄华光化工厂等；白矿油可选用15#牌号白矿油等，如购自南海达成化工有限公司等；分散剂可选用CA-1牌号分散剂等，如购自上海三正高分子材料有限公司等；偶联剂可选用105牌号偶联剂等，如购自岳阳石化公司等。优选的，所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂。PE粉可选7042 PE粉料等，如购自茂名市德恩贸易有限责任公司等。
优选的，所述步骤B和步骤C中的挤出机为平行双螺杆挤出机。
应用平行双螺杆挤出机代替密炼机和普通挤出机可使得混炼效果更好，有利于炭黑更好的分散；平行双螺杆挤出机的捏合力和剪切力均大于密炼机，可显著提高炭黑分散效果。
实施例二、调节材料软硬度的改进方法
根据不同产品的要求，实施例一所述步骤C中，在混合时还可加入GPPS即通用聚苯乙烯。加入量一般在20％左右，用于调节材料的软硬度，如果材料偏软时，用GPPS可调节到需要的程度。
根据本发明所述的制备方法得到的导电塑料(PS)产品经上海高分子材料国家测试中心检测，其导电性能超过美国卡波特产品，其它性能均接近美国卡波特产品。通过以上方法生产的产品与美国卡波特公司产品比较和国内其他厂家相对较好的材料相比，性能优势如下表：
| 测试项目 | 测试标准 | 单位 | 测试结果 | ||
| 我公司导电PS | 美国卡波特导电PS | 上海三城塑料公司 | |||
| 熔体指数 | GB3682 | g/10min | 2-2.4 | 2-2.3 | 2-2.5 |
| 密度 | GB1033 | g/cm3 | 1.05±0.01 | 1.05±0.01 | 1.05±0.01 |
| 拉伸强度 | GB1040 | MPa | 24 | 26 | 24 |
| 伸长率 | GB1040 | ％ | 90 | 90 | 75 |
| 弯曲强度 | GB9341 | MPa | 30 | 31 | 28 |
| 热变形温度 | GB1634 | ℃ | 85 | 86 | 85 |
| 软化点 | GB1634 | ℃ | 98 | 98 | 98 |
| 洛氏硬度 | GB9342 | L-70 | L-75 | L-68 | |
| 表面电阻 | GB1410 | Ω | 100-200 | 1000-1500 | 2000-3000 |
| 添加量 | ％ | 50 | 90 | 100 | |
可见，根据本发明所述的制备方法得到的导电塑料在熔体指数、密度、伸长率、弯曲强度、热变形温度、软化点、洛氏硬度等方面与美国卡波特公司的同类产品相比，以上性能均接近，且优于国内厂家的产品；但导电性优于(即表面电阻小于)卡波特公司产品，也优于国内厂家的产品；在分散性方面：根据本发明所述的制备方法得到的产品制成片材后，平均每2平方米有一颗针点，国内厂家产品每平方米5颗针点，而卡波特公司每5平方米一颗针点。
Claims (4)
1、一种纳米炭黑改性的导电塑料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、选择30nm的纳米级炭黑为导电载流子，处理方法如下：取7.5％重量百分比的粉状炭黑和7.5％重量百分比的柱状炭黑在高速混合机中，用雾化器雾化加入0.5％重量百分比的偶联剂和0.5％重量百分比的分散油，所述的偶联剂和分散油均是用9％重量百分比的白矿油稀释，混合15分钟，得到处理好的炭黑；
B、在高速混合机中，加入25％重量百分比的PE粉料，在高速搅拌下加入步骤A得到的处理好的炭黑，两者混合10分钟；将混合后的粉状物料在挤出机中挤出，得到含炭黑达到30％的块状导电母料；
C、将步骤B得到的导电母料破碎、干燥、在按1∶1的重量比例与HIPS混合，并加入2％重量百分比的SBS充分混合，然后在挤出机中挤出造粒，烘干，打包，得到所述的导电塑料材料；所述HIPS即高抗冲聚苯乙烯，所述SBS即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B和步骤C中的挤出机为平行双螺杆挤出机。
3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂。
4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤C中，在混合时还加入GPPS即通用聚苯乙烯。
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