CN101805503A - 一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料及其制备方法 Download PDF

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宁方林
易庆锋
姜苏俊
陈健
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蔡彤旻
龙杰明
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Abstract

本发明公开了一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料及其制备方法，由以下重量份的组分组成：聚碳酸酯50-80份，聚乙烯树脂10-30份，导电炭黑6-12份，相容剂2-6份。制备方法：将聚乙烯树脂、导电炭黑、热稳定剂和加工助剂在高混机中混合均匀后，进入到同向双螺杆挤出机中，在190℃-220℃的温度下熔融挤出造粒。将聚碳酸酯、相容剂和导电聚乙烯基体混合均匀后直接于注塑机中注塑最终得到产品。本发明整个复合材料的导电炭黑填充渗滤值大为降低，而综合性能优良。制备方法的加工便利性提高，生产成本降低。

Description

一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料及其制备技术。
背景技术
导电塑料具有普通塑料的优点(质量轻、价格低、耐腐蚀、易成型等)，同时拥有类金属的导电特性，是一种理想的抗静电、电磁屏蔽材料。
以上这些功能的实现通常是通过在塑料基体中加入逾渗阈值浓度以上的导电填料来实现的，主要包括：导电炭黑，金属粉，金属纤维，石墨纤维，碳纤维，碳纳米管等。而导电炭黑是其中应用最为广泛的导电填料。
然而，导电炭黑填充热塑性导电复合材料在实际的生产和应用中还存在不少问题，如在单一聚合物基体中添加的导电炭黑的含量需达到一较高浓度才能使最终的复合材料具有较好的导电性能。高的导电炭黑添加量至少产生如下不良后果：1、材料成本的增加。2、材料综合物理性能劣化，尤其是韧性。因此，降低整个体系的导电炭黑添加渗滤值是导电炭黑填充热塑性导电复合材料的一个非常重要的研究和开发方向。
中国专利CN 101531786A中公开了一种黑色哑光导电塑料的制备方法。整个制备过程分为三步，第一步，先在双螺杆挤出机上制备炭黑导电母粒；第二步，在双螺杆挤出机上制备哑光母粒；第三步，将前两步的母粒与聚苯乙烯，聚酰胺，增韧剂按一定比例混合抽粒即得哑光导电聚苯乙烯。该材料的导电性能是通过两步来完成的，第一，制备高浓度炭黑导电母粒；第二，将导电母粒与聚合物基体共混抽粒稀释。该专利使用的是特导电碳黑(比表面积达1000m2/g以上)，与普通高导碳黑相比，价格要高很多，且添加量仍需8-12份。制备过程包括两步挤出工艺，生产成本比一步挤出工艺的要高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种低导电炭黑含量且综合性能优良的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料。
本发明的另一个目的在于提供上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料的制备方法。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，由以下重量份的组分组成：
聚碳酸酯    50-80份
聚乙烯树脂  10-30份
导电炭黑    6-12份
相容剂      2-6份。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，还可以添加有如下重量份的组分：
热稳定剂    0.1-0.3份。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，还可以添加有如下重量份的组分：
加工助剂    0.1-0.3份。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的聚碳酸酯的熔体流动速率为5～30g/10min(300℃，1.2Kg ASTM D-1238)。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的聚乙烯树脂为粉状，其熔体流动速率为0.2～30g/10min(190℃，2.16kg ISO1133)。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的导电炭黑为高结构导电炭黑，其氮气吸附值为150～400m2/g。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的相容剂优选为N-苯基马来酰胺-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、马来酸酐接枝聚烯烃中的一种或几种的混合物。主要作为聚碳酸酯和聚乙烯两相不相容体系的相容剂。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的热稳定剂优选为酚类、胺类、亚磷酸酯类、半受阻酚类、丙烯酰基官能团、硫代酯类中的一种或几种的混合物。
在上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料中，所述的加工助剂优选为低分子酯类、金属皂类、硬脂酸复合酯类、酰胺类中的一种或几种的混合物。
上述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)导电聚乙烯基体的制备：将聚乙烯树脂、导电炭黑、热稳定剂和加工助剂在高混机中混合均匀后，进入到同向双螺杆挤出机中，在190℃-220℃的温度下熔融挤出造粒。
(2)将聚碳酸酯、相容剂和导电聚乙烯基体混合均匀后直接于注塑机中注塑最终得到产品。
导电炭黑填充热塑性导电复合材料要达到导电的目的，必须满足两个基本条件：(1)导电炭黑分布所在的介质在整个体系中是连续的(此处指的是广义上的连续，允许介质间存在微小间隙，对应导电机理中的隧道效应)。(2)导电炭黑粒子之间是导通的。包括两个方面：a，导电炭黑粒子之间是金属接触的；b，导电炭黑粒子之间存在微小间隙。相当于电容，在高压高频作用下电子很容易跃迁。
在导电炭黑填充单一基体体系中，导电炭黑分布的连续介质只能是整个聚合物基体，导电炭黑的导通渗滤体积是整个聚合物基体，因此添加量较多。而本发明中所采用的是聚碳酸酯和聚乙烯的两相不相容体系，通过选择合理的聚合物种类，合适的配方比例和加工工艺，使整个体系形成两相双连续相结构，并利用导电炭黑对于不同聚合物亲和性不同的特点将导电炭黑基本分布于其中的少组分相聚乙烯中，使得整个体系的导电炭黑导通渗滤有效体积大为减小，因此使得整个体系导通所需的导电炭黑添加量也大为减少。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明整个复合材料的导电性能是通过形成两相双连续相结构，使导电炭黑选择性的分布于其中的少组分连续相，通过让少组分连续相导电来使得整个复合材料体系也同样具有优异的导电性能。与稀释导电母粒相比，其有效导通渗滤体积大大减小，因此使得整个复合材料的导电炭黑填充渗滤值大为降低。
(2)与高浓度导电母粒的生产过程相比，本发明第一步导电聚乙烯基体的生产过程加入的导电炭黑明显减少，加工便利性提高。
(3)本发明整个生产过程只包括一步挤出工艺，与稀释导电母粒过程相比，减少了一步挤出过程，有效降低生产成本。
(4)可通过改变最终注塑成型过程中各种物料的比例来方便的调节最终产品的各项性能。
具体实施方式
实施例1
导电聚乙烯基体的制备：将80公斤的熔体流动速率为0.9g/10min的低密度聚乙烯，20公斤的高结构导电炭黑，0.2公斤的复合稳定剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝1∶1)和0.2公斤的硬脂酸钙在转速700rpm的高混机中混合10分钟后，加入到螺杆转速为400rpm的同向双螺杆挤出机中进行挤出造粒，熔融挤出温度为190℃。
将65公斤的聚碳酸酯，30公斤的导电聚乙烯基体和5公斤的乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物混合均匀后直接注塑成型，注塑温度为240℃，最终得到产品。
上述产品具有很低的表面电阻率，能达到105Ω，缺口冲击强度能达到70KJ/m2(ISO180-93)，热变形温度＞120℃(ISO75/1，1.8MPa)。具体性能如表1所示：
表1
  性能   测试方法   单位   实施例1
  密度   ISO1183   g/cm3   1.158
  熔体流动速率   ISO1133   g/10min   2.0
  拉伸强度   ISO 527-2   MPa   40.5
  断裂伸长率   ISO 527-2   ％   15
  弯曲强度   ISO 178   MPa   52.4
  弯曲模量   ISO 178   MPa   1752
  缺口冲击强度   ISO 180/1A   KJ/m2   77.2
  热变形温度   ISO75/1   ℃   123.1
  表面电阻率   IEC 61340-5-1   Ω   7.4×105
实施例2
导电聚乙烯基体的制备：将140公斤熔体流动速率为0.9g/10min的低密度聚乙烯，60公斤的高结构导电炭黑，0.5公斤的复合稳定剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝1∶1)和0.5公斤的硬脂酸锌在转速700转/分的高混机中混合10分钟后，加入到螺杆转速为400rpm的同向双螺杆挤出机中进行挤出造粒，熔融挤出温度为220℃。
将130公斤的聚碳酸酯，60公斤的导电聚乙烯基体和10公斤的马来酸酐接枝聚乙烯混合均匀后直接注塑成型，注塑温度为280℃，最终得到产品。
上述产品具有很低的表面电阻率，能达到105Ω，具体性能如表2所示：
表2
  性能   测试方法   单位   实施例2
  密度   ISO1183   g/cm3   1.165
  熔体流动速率   ISO1133   g/10min   1.8
  拉伸强度   ISO 527-2   MPa   42.0
  断裂伸长率   ISO 527-2   ％   13
  弯曲强度   ISO 178   MPa   54.3
  弯曲模量   ISO 178   MPa   1821
  缺口冲击强度   ISO 180/1A   KJ/m2   72.7
  热变形温度   ISO75/1   ℃   124.5
  表面电阻率   IEC 61340-5-1   Ω   2.6×105
实施例3
导电聚乙烯基体的制备：将60公斤熔体流动速率为0.9g/10min的低密度聚乙烯，24公斤的高结构导电炭黑，0.2公斤的复合稳定剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝1∶1)和0.2公斤的硬脂酸锌在转速700转/分的高混机中混合10分钟后，加入到螺杆转速为400rpm的同向双螺杆挤出机中进行挤出造粒，熔融挤出温度为220℃。
将100公斤的聚碳酸酯，84公斤的导电聚乙烯基体和8公斤的N-苯基马来酰胺-苯乙烯共聚物混合均匀后直接注塑成型，注塑温度为280℃，最终得到产品。
上述产品具有很低的表面电阻率，能达到103Ω，具体性能如表3所示：
表3
  性能   测试方法   单位   实施例3
  密度   ISO1183   g/cm3   1.141
  熔体流动速率   ISO1133   g/10min   1.5
  拉伸强度   ISO 527-2   MPa   36.0
  断裂伸长率   ISO 527-2   ％   18
  弯曲强度   ISO 178   MPa   48.3
  弯曲模量   ISO 178   MPa   1610
  缺口冲击强度   ISO 180/1A   KJ/m2   79.5
  热变形温度   ISO75/1   ℃   116.0
  表面电阻率   IEC 61340-5-1   Ω   6.2×103
实施例4
导电聚乙烯基体的制备：将40公斤熔体流动速率为10.0g/10min的低密度聚乙烯，20公斤的高结构导电炭黑，0.2公斤的复合稳定剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝1∶1)和0.2公斤的硬脂酸锌在转速700转/分的高混机中混合10分钟后，加入到螺杆转速为400rpm的同向双螺杆挤出机中进行挤出造粒，熔融挤出温度为220℃。
将120公斤的聚碳酸酯，60公斤的导电聚乙烯基体和6公斤的马来酸酐接枝聚乙烯混合均匀后直接注塑成型，注塑温度为280℃，最终得到产品。
上述产品具有很低的表面电阻率，能达到105Ω，具体性能如表4所示：
表4
  性能   测试方法   单位   实施例4
  密度   ISO1183   g/cm3   1.160
  熔体流动速率   ISO1133   g/10min   1.7
  拉伸强度   ISO 527-2   MPa   41.5
  断裂伸长率   ISO 527-2   ％   15
  性能   测试方法   单位   实施例4
  弯曲强度   ISO 178   MPa   52.4
  弯曲模量   ISO 178   MPa   1728
  缺口冲击强度   ISO 180/1A   KJ/m2   74.0
  热变形温度   ISO75/1   ℃   121.5
  表面电阻率   IEC 61340-5-1   Ω   1.3×105
实施例5
导电聚乙烯基体的制备：将20公斤熔体流动速率为30.0g/10min的低密度聚乙烯，12公斤的高结构导电炭黑，0.2公斤的复合稳定剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝1∶1)和0.2公斤的硬脂酸钙在转速700转/分的高混机中混合10分钟后，加入到螺杆转速为400rpm的同向双螺杆挤出机中进行挤出造粒，熔融挤出温度为220℃。
将160公斤的聚碳酸酯，32公斤的导电聚乙烯基体和4公斤的N-苯基马来酰胺-苯乙烯共聚物混合均匀后直接注塑成型，注塑温度为280℃，最终得到产品。
上述产品具有很低的表面电阻率，能达到106Ω，具体性能如表5所示：
表5
  性能   测试方法   单位   实施例5
  密度   ISO1183   g/cm3   1.173
  熔体流动速率   ISO1133   g/10min   1.9
  拉伸强度   ISO 527-2   MPa   46.6
  断裂伸长率   ISO 527-2   ％   20
  弯曲强度   ISO 178   MPa   58.2
  弯曲模量   ISO 178   MPa   1952
  缺口冲击强度   ISO 180/1A   KJ/m2   70.8
  热变形温度   ISO75/1   ℃   135.5
  性能   测试方法   单位   实施例5
  表面电阻率   IEC 61340-5-1   Ω   4.4×106

Claims (10)

1.一种聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：
聚碳酸酯    50-80份
聚乙烯树脂  10-30份
导电炭黑    6-12份
相容剂      2-6份。
2.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，还添加有如下重量份的组分：
热稳定剂    0.1-0.3份。
3.如权利要求1或2所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，还添加有如下重量份的组分：
加工助剂    0.1-0.3份。
4.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的聚碳酸酯的熔体流动速率为5～30g/10min(300℃，1.2Kg ASTM D-1238)。
5.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的聚乙烯树脂为粉状，其熔体流动速率为0.2～30g/10min(190℃，2.16kgISO1133)。
6.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的导电炭黑为高结构导电炭黑，其氮气吸附值为150～400m2/g。
7.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的相容剂为N-苯基马来酰胺-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、马来酸酐接枝聚烯烃中的一种或几种的混合物。
8.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的热稳定剂为酚类、胺类、亚磷酸酯类、半受阻酚类、丙烯酰基官能团、硫代酯类中的一种或几种的混合物。
9.如权利要求1所述的聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料，其特征在于，所述的加工助剂为低分子酯类、金属皂类、硬脂酸复合酯类、酰胺类中的一种或几种的混合物。
10.权利要求1所述聚碳酸酯/聚乙烯合金导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)导电聚乙烯基体的制备：将聚乙烯树脂、导电炭黑、热稳定剂和加工助剂在高混机中混合均匀后，进入到同向双螺杆挤出机中，在190℃-220℃的温度下熔融挤出造粒。
(2)将聚碳酸酯、相容剂和导电聚乙烯基体混合均匀后直接于注塑机中注塑最终得到产品。
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