CN102295803A - 抗静电复合材料的配方及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗静电复合材料的配方及制备方法，按重量份数计算，包括75～85份聚丙烯、15～25份聚氧化乙烯以及2～5份有机蒙脱土。本发明采用以OMMT为增容剂，PEO为导电聚合物分散相，PP为聚合物基体制得复合材料，OMMT可以起到降低两相界面张力、增加两相的润湿的作用，以改善PEO与PP两相的相容性，避免出现相分离现象；促进复合材料表皮层中PEO取向及复合材料芯层中的PEO粒径细化均匀分散，提高复合材料的导电率，得到理想的抗静电效果。而且本发明简单易行，所得到的材料不仅抗静电效果好，而且透光率好、材料为白色，解决了以往加入导电炭黑这种抗静电剂所得到的材料为黑色的问题。

Description

抗静电复合材料的配方及制备方法
技术领域
本发明涉及一种塑料的配方及制备方法，尤其是一种抗静电复合材料的配方及制备方法。
背景技术
目前，聚丙烯（PP）是最常用的塑料材料之一，它被广泛应用在汽车、家电及管材等方面，然而聚丙烯材料由于高度绝缘性而带来的静电放电问题日显突出，在炼油、化工、炸药和煤炭生产等行业中使用容易产生静电，引起爆炸起火；在电子工业造成集成电路损坏等，因此聚丙烯材料的抗静电处理工作显得尤为重要。不同种类聚合物材料通过共混的方法，可以使共混物各组成聚合物的优异性能得到互补，从而拓宽了材料的性能和使用领域，是开发高性能聚合物材料的重要方法。为了进一步提高聚丙烯的应用范围，因此需要加入一些抗静电剂与其进行共混，来提高聚丙烯的抗静电性能。但是，目前现有技术对聚丙烯进行抗静电改性后，可能出现聚丙烯与改性材料之间发生相分离现象，改性材料出现结晶化倾向，并且由于分散不够而导致复合材料的导电率不足，因此其抗静电效果并不理想。PEO为非离子型抗静电用的表面活性剂，PEO分子量较高而区别于低分子量的表面活性剂型抗静电剂，称为高分子型永久抗静电剂，因此PEO可做为导电单元聚合物加入到基体树脂中形成合金起到永久抗静电效果。由于PP与PEO相容性较差，容易出现上述的问题，因此将他们直接共混难以获得理想的抗静电效果。
发明内容
本发明的目的是：提供一种抗静电复合材料的配方及制备方法，它可以避免聚丙烯与改性材料之间出现相分离现象，降低改性材料的结晶性，从而得到良好的抗静电效果，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：抗静电复合材料的配方，按重量份数计算，包括75～85份聚丙烯、15～25份聚氧化乙烯以及2～5份有机蒙脱土。
将聚丙烯、聚氧化乙烯以及有机蒙脱土经预处理后在混合机中混合，然后将混合物料加入双螺杆挤出机中进行挤出，挤出造粒后得到成品。
所述预处理为将有机蒙脱土在80℃下干燥10个小时，聚氧化乙烯在40℃下干燥处理4个小时，聚丙烯在80℃干燥处理10个小时。
聚丙烯、聚氧化乙烯以有机蒙脱土在混合机中混合时间为15分钟，混合机转速为200 rpm，温度为40℃。
双螺杆挤出机的螺杆转速为400rpm，挤出段的温度一区到五区依次为165℃、170℃、175℃、180℃和185℃，机头温度为185℃。
为了使蒙脱土与有机相有更好的相容性，用有机阳离子(即插层剂，季铵盐等)作为插层剂与蒙脱土层间的吸附水合阳离子置换,将有机阳离子引入到蒙脱土的层间，制得有机蒙脱土（OMMT），从而使通常亲水的粘土矿物表面疏水化，同时经过有机化处理也降低了粘土矿物的表面能，改善了矿物与聚合物之间的润湿作用，提高了两者相容性，可以广泛的应用到聚合物中。加入OMMT能降低可以降低不相容聚合物两相界面张力，改善界面润湿效果，OMMT的加入对两相起到增容的作用；OMMT的加入还可以阻碍分散相的团聚，细化分散相的尺寸。 
聚氧化乙烯（PEO）为非离子型实用的塑料抗静电剂，将PEO作为导电单元的各种亲水性聚合物加入到基体树脂中形成合金可永久地保持抗静电效果。与塑料合金化的高分子抗静电剂效果取决于其在树脂中的分散程度和分散状态。理想的分布状态是抗静电剂细微分布于基体树脂中,其形状呈筋状或网状,形成泄漏电荷的通路。这种分布状态的实现,取决于高分子抗静电剂和基体树脂的相容性和加工条件。可选择合适的相容剂来调整抗静电剂分散的粒径,通过控制剪切速率和加工温度使基体成分和分散相有合适的粘度差。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明采用以OMMT为增容剂，PEO为导电聚合物分散相，PP为聚合物基体制得复合材料，OMMT可以起到降低两相界面张力、增加两相的润湿的作用，以改善PEO与PP两相的相容性，避免出现相分离现象；此外OMMT还可以对PEO起到分离破碎、阻止团聚、细化的作用，促进了PEO在PP基体中的分散；在注塑过程中，沿熔体流动方向的PEO以及在其表面分布的OMMT都发生取向，与模具接触的复合材料表皮层相形态被迅速冷却固定下来，从而使制备的复合材料中的PEO在表皮层以片层状相形态存在，因此制备的复合材料中的PEO结晶度大大降低，PEO分子链的柔性得到提高；制备的复合材料的使用温度较高，在高于60℃使用时，PEO为不结晶聚合物，复合材料表面电阻率又有所降低，不仅提高了PEO的使用温度，而且促进复合材料表皮层中PEO取向以及复合材料芯层中的PEO粒径细化均匀分散，提高复合材料的导电率，得到理想的抗静电效果。而且本发明简单易行，制备出PEO在材料内部存在质量分布梯度的复合材料，制备方法工艺简单、易操作、成本低、无污染。
表一为纯PP、PP/PEO合金和PP/PEO/OMMT复合材料的表面电阻率
材料体系 Pure  PP 0phr OMMT 1phr OMMT 3phr OMMT 5phr OMMT 7phr OMMT
表面电阻率/Ω 6.3×1016 6.7×109 4.4×109 3.4×109 3.2×109 2.4×109
PP/PEO合金起到的抗静电剂效果取决于PEO在树脂中的分散程度和分散状态。通过扫描电镜得到，PP/PEO/OMMT复合材料与PP/PEO相比，OMMT加入后，PEO含量从材料芯部到表皮层逐渐增大，PEO相粒径由圆球状变为片层状。随着OMMT含量的增加，分散相PEO逐渐得到细化、粒径尺寸分散更加均匀。而这两点都有利于提高复合材料的抗静电效果，原因是PEO抗静电剂在成型过程中有向外部迁移趋势，使PEO在合金表面的密度高于内部的密度，抗静电剂可以在材料表面趋于形成导电层，降低电阻形成导电网络使电荷转移，这样就可以避免电荷滞留在材料表面形成静电。复合材料的有效电阻率随导电颗粒轴长比的增加而会呈现出快速下降的趋势，抗静电剂PEO以片层状存在有复合材料中，在这样的片层结构中,抗静电剂易于形成泄漏电荷的通路。OMMT的加入，改善了PP、PEO两相的相容性，在材料芯部，PEO在基体PP中分散的更加细小、均匀，也有利于复合材料电阻率的降低。
同时，由于有机蒙脱土对共混物可起到增容作用，可使多种聚合物的分散相粒径减小，使共混物相形态得到很好的改善，因此PP/PEO/OMMT纳米复合材料的透明性能也十分优秀。
为了进行验证，对不同OMMT含量的复合材料进行透光率测试，并将测试得到的数据绘制成曲线图，得到图6；由图6可知，随OMMT含量的增加，复合材料的透光率逐渐提高；OMMT含量为0phr时，复合材料的透光率为12.6%，OMMT含量为7phr时，复合材料的透光率提高到29.4%，表明复合材料能够透过更多的可见光，透明性增加，因此，OMMT的含量变化对复合材料的透光率有重要的影响。
为了进一步研究OMMT含量变化对复合材料透光率产生的影响，将OMMT含量与复合材料中PEO分散相粒径尺寸的关系及OMMT含量与复合材料晶粒尺寸的关系制作为图7；由图7可知，随OMMT含量的增加，复合材料中PEO分散相尺寸由2.5μm减小到1.9μm，复合材料球晶尺寸由48.9μm减小到25.7μm，复合材料的PEO分散相尺寸和球晶尺寸随OMMT含量增加都呈现近似线性递减的趋势，而复合材料的透光率随OMMT含量增加呈现近似线性递增的关系。
晶粒和分散相对可见光的散射效应是影响复合材料透光率的主要因素，晶体尺寸的细化能够有效降低对可见光的散射效应，随着OMMT含量的增加，聚合物共混物晶粒尺寸逐渐细化，复合材料的透光率逐渐提高；由于分散相尺度变化对复合材料光散射的影响可通过公式：
Figure 804987DEST_PATH_IMAGE001
进行描述，式中，
Figure 234831DEST_PATH_IMAGE002
为透射光强度，
Figure 538774DEST_PATH_IMAGE003
为入射光强度，为光路长度，
Figure 21150DEST_PATH_IMAGE005
为分散相体积分数，
Figure 418633DEST_PATH_IMAGE006
为分散相半径，λ为入射光波长，
Figure 209872DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 288686DEST_PATH_IMAGE008
分别为分散相和聚合物基体的折射率。可以看出，分散相尺寸增大和两者折射率不匹配都会导致材料的透射光强度明显降低，而分散相尺寸对透射光强度的影响较大。因此，PEO分散相粒径大小是影响透射光强的主要因素，OMMT的加入，直接导致PEO分散相尺寸减小，这是复合材料透光率提高的主要原因。并且通过本发明所得到的材料为白色，解决了以往加入导电炭黑这种抗静电剂所得到的材料为黑色的问题。
附图说明
附图1为差示扫面量热数据图；
附图2为复合材料样品芯层的扫描电镜照片；
附图3为复合材料样品表皮层的扫描电镜照片；
附图4为合金材料样品芯层的扫描电镜照片；
附图5为合金材料样品表皮层的扫描电镜照片；
附图6为OMMT含量对纳米复合材料透光率的影响；
附图7为 OMMT含量对复合材料中PEO相粒径尺寸和球晶尺寸的影响。
具体实施方式
本发明的实施例1：抗静电复合材料的制备，按重量份数计算，将3份OMMT，20份PEO以及80份PP在混合机中进行混合，混合时间为15分钟，混合时间为温度40℃，混合机的转速为200rpm；混合完成后，用双螺杆挤出机将该混合物料挤出造粒，双螺杆挤出的螺杆转速为400rpm，挤出段的温度一区到五区依次为165℃、170℃、175℃、180℃和185℃，机头温度为185℃，将挤出的物料造粒，得到复合材料的粒料，将该粒料用注塑机进行注塑成型，注塑温度分别为185℃、185℃和185℃，模具冷却时间为10秒，得到复合材料样品。对复合材料样品进行测试，其表面电阻率为3.4×109 Ω；并对复合材料样品的芯层及表皮层用电子显微镜进行扫描，得到的扫描电镜照片如图2、图3所示。
本发明的实施例2：抗静电复合材料的制备，按重量份数计算，将20份PEO与80份PP在混合机中进行混合，混合时间为15分钟，混合时间为温度40℃，混合机的转速为200 rpm；混合完成后，用双螺杆挤出机将该混合物料挤出造粒，双螺杆挤出的螺杆转速为400rpm，挤出段的温度一区到五区依次为165℃、170℃、175℃、180℃和185℃，机头温度为185℃，将挤出的物料造粒，得到合金材料的粒料，将该粒料用注塑机进行注塑成型，注塑温度分别为185℃、185℃和185℃，模具冷却时间为10秒，得到合金材料样品。对合金材料样品进行测试，其表面电阻率为6.3×1016Ω；并对合金材料样品的芯层及表皮层用电子显微镜进行扫描，得到的扫描电镜照片如图4、图5所示。
根据以上实施例进行对比我们可以得知，在相同的工艺条件下分别制得复合材料样品与合金材料样品，经过测试后发现复合材料样品的表面电阻率小于合金材料样品的表面电阻率；并根据他们各自的扫描电镜照片进行分析，如图2、图3所示，复合材料样品中的PEO相粒径尺寸得到细化，PEO与PP的相容性得到改善，避免出现相分离现象；而对比图4、图5可以看出，合金材料表皮层部位的PEO相取向程度不大，PEO在表皮层部位所占质量分数较低。相比之下，复合材料样品表皮层部位的PEO相取向程度很大，以片层状结构存，并且PEO在表皮层部位所占质量分数大幅提高，复合材料样品以这种相结构形态存在，更有利于提高材料的电导率。
我们再分别测试复合材料样品及纯PEO的差示扫面量热数据，并根据该数据绘制出他们各自的结晶曲线，得到图1；从图1中可以看出，纯的PEO结晶峰很强，结晶度为61.3%；复合材料样品中的PEO的结晶峰很弱，结晶度为30.1%；因此可以得知，复合材料样品中的PEO结晶度得到大幅度降低，更加有利于PEO分子链的柔顺，有利于提高复合材料样品的电导率，得到更好的抗静电效果。

Claims (5)

1.一种抗静电复合材料的配方，其特征在于：按重量份数计算，包括75～85份聚丙烯、15～25份聚氧化乙烯以及2～5份有机蒙脱土。
2.一种抗静电复合材料的制备方法，其特征在于：将聚丙烯、聚氧化乙烯以及有机蒙脱土经预处理后在混合机中混合，然后将混合物料加入双螺杆挤出机中进行挤出，挤出造粒后得到成品。
3.根据权利要求2所述的抗静电复合材料的制备方法，其特征在于：所述预处理为将有机蒙脱土在80℃下干燥10个小时，聚氧化乙烯在40℃下干燥处理4个小时，聚丙烯在80℃干燥处理10个小时。
4.根据权利要求2所述的抗静电复合材料的制备方法，其特征在于：聚丙烯、聚氧化乙烯以及有机蒙脱土在混合机中混合时间为15分钟，混合机转速为200rpm，温度为40℃。
5.根据权利要求2所述的抗静电复合材料的制备方法，其特征在于：双螺杆挤出机的螺杆转速为400rpm，挤出段的温度一区到五区依次为165℃、170℃、175℃、180℃和185℃，机头温度为185℃。
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