CN102504558A - 一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法，该方法是将经重量百分比20%-50%偶联剂处理过的碳系粒子与碱处理后的植物纤维一同倒入高混机中进行预混合，将预混料经蒸汽爆破机爆破制得碳系粒子包覆植物纤维填料。采用本发明方法制得的碳系粒子包覆植物纤维，能够在植物纤维表面形成导电层，解决了碳系粒子难在植物纤维表面上包覆和均匀分散的问题，该办法可作为制备导电材料或电磁屏蔽材料的有效途径。本发明的优点是采用此方法制备的电磁屏蔽复合材料屏蔽效能明显提高。

Description

一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法

技术领域

本发明涉及一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法，具体是指将偶联剂处理过的碳系粒子与碱处理后的植物纤维一同倒入高速混合机中进行预混合，将预混料经蒸汽爆破机爆破制得碳系粒子包覆植物纤维填料，该填料为导电纤维，可用于制备复合屏蔽材料。

背景技术

碳系粒子（石墨、炭黑）具有来源广、价格低廉、导电性持久稳定等优点，是目前导电材料或电磁屏蔽材料中使用较多的填料品种。但是碳系粒子表面没有任何基团，与聚合物的表面相容性很差，限制了碳系粒子进一步推广应用。

改善碳系粒子与塑料基体相容性的方法主要有碳系粒子预处理、插层复合法等方法。碳系粒子的预处理主要是采用表面活性剂或偶联剂对石墨、炭黑粒子进行表面处理，使碳系粒子表面被表面活性剂或偶联剂覆盖，这样它们在与聚合物进行共混复合时，得到良好的分散效果。插层复合法是利用层状石墨微片具有的弱层间结构，将聚合物或聚合物单体引入层间，借助聚合物反应热实现层状石墨微片层间剥离和在聚合物基体中的纳米分散。该方法分为溶液插层和熔融插层。其中溶液插层是指聚合物大分子链或单体在溶液中借助溶剂的作用，插层进入石墨片层之间，然后挥发除去溶剂。这种方式需要合适的溶剂来同时溶解聚合物和分散层状石墨粒子，大量的溶剂不易回收，不利于环境保护。另一种方法熔融插层是指聚合物在高于其软化温度下加热，在静止条件下或剪切力作用下直接插层进入石墨片层之间。这些方法对分散问题的解决具有一定的作用，但是由于石墨粒子表面没有任何基团，目前的技术仍无法完全解决石墨与共聚物基体界面的相容性。况且这些方法中，都要用到化学试剂，无形中增加了复合材料制备过程中对环境的影响及增加材料成本等现实问题。因此采用非化学的处理方法，解决碳系粒子的均匀分散，将从根本上为制备碳系粒子提供一种新的途径。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术中碳系粒子在聚合物基体中分散性不好，导致碳系复合材料屏蔽效能不高的问题，提供一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法，通过将植物纤维与碳系粒子混合，经过蒸汽爆破后，使得碳系粒子在瞬间释压的过程中包覆在植物纤维上，再与聚合物复合得到具有屏蔽效能高、碳系粒子渗逾阈值低、模量大、强度高、尺寸稳定的复合材料。

本发明的蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法包括以下步骤： 

（1）将植物纤维放入NaOH浓度为1%-10%质量碱液中浸泡2-24小时，用水将植物纤维洗至中性，在70-100℃下干燥2-5小时；

在95%乙醇溶液中加入醋酸，调节溶液的PH值为4.5-5.5；搅拌下加入偶联剂使溶液浓度达到2%质量分数，水解5-10分钟；加入碳系粒子，搅拌2-5分钟；经真空过滤，将碳系粒子与溶液分离，再将分离后的碳系粒子在80-100℃下干燥8-12小时；

（2）将步骤（1）得到的干燥后的碳系粒子和植物纤维搅拌混合5-10分钟；

（3）加水浸润，使步骤（2）中的混合物的水分含量为40%-60%质量；

（4）将步骤（3）浸润得到的混合物进行蒸汽爆破，爆破温度控制在110-200℃；

（5）爆破后的混合物在高速混合5分钟，80℃下干燥，得到碳系粒子包覆植物纤维填料。

步骤（1）中，用后的碱液回收再用。

步骤（2）中，步骤（1）得到的干燥后的碳系粒子和植物纤维在高速混合机中搅拌混合，转速为750rpm-1500rpm。

步骤（3）中，浸润时间为12-24小时。

步骤（1）中所述植物纤维包括剑麻、甘蔗渣、中药渣中的一种以上；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。

步骤（5）中高速混合机的转速为750rpm-1500rpm。

步骤（4）中，将塑料基体粉料、偶联剂、表面活性剂与植物纤维碳系粒子混合物一起蒸汽爆破，以达到对材料的原位改性。

所述塑料基体为高聚物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种以上。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、所述的经蒸汽爆破后的碳系粒子能够包覆到植物纤维的表面，经蒸汽爆破瞬间释压作用，进入植物纤维和碳系团聚粒子内部的水分子瞬间膨胀，在此过程中植物纤维束被打开，纤维内部的氢键被破坏，游离出新的羟基，同时碳系粒子表层被剥离，释压后膨胀的物料迅速收缩，这样表面被剥离的碳系粒子占据被分离的剑麻纤维表面，与游离出的羟基结合，包覆到植物纤维的表面；

2、本发明所述的经爆破制得的碳系粒子包覆植物纤维填料，可以作为导电填料与塑料混合，对复合材料的导电性能和屏蔽效能有着明显的提高作用。

附图说明

图1是未采用本发明方法得到的石墨吸附剑麻纤维填料的扫描电镜图；

图2是采用本发明方法得到的石墨包覆剑麻纤维填料的扫描电镜图；

图3是未采用本发明方法得到的石墨吸附甘蔗渣纤维填料的扫描电镜图；

图4是采用本发明方法得到的石墨包覆甘蔗渣纤维填料的扫描电镜图；

图5是未采用本发明方法得到的石墨吸附药渣纤维填料的扫描电镜图；

图6是采用本发明方法得到的石墨包覆中药渣纤维填料的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1  制备剑麻纤维填料

1、将剪切成4mm长度的剑麻纤维放入NaOH浓度为5%质量碱液中浸泡8小时，用水将剑麻纤维洗至中性，在80℃下干燥5小时；

在95%乙醇溶液中加入醋酸，调节溶液的PH值为5.0；搅拌下加入硅烷偶联剂KH-550使溶液浓度达到2%质量分数，水解5分钟；加入1000目的石墨粒子，搅拌2分钟；经真空过滤，将石墨粒子与溶液分离，再将分离后的石墨粒子在80℃下干燥12小时；

2、将步骤1得到的石墨和剑麻纤维按1:1的质量比在高混机中高速混合，混合的时间为5分钟，转速为750rpm；

3、加水浸润，浸润时间为24小时，使步骤2中的混合物的水分含量为40%质量；

4、将步骤3浸润得到的混合物进行蒸汽爆破，爆破温度控制在200℃；

5、爆破后的混合物在高速混合5分钟，转速为1000rpm，80℃下干燥，得到石墨粒子包覆剑麻纤维填料；

6、将爆破后的石墨剑麻混合物与PP按1:1质量比开炼混合制得的的复合材料，按照GB12190-2006进行屏蔽性能测试，得材料的渗逾阈值10%左右时，与纯石墨复合材料的渗逾阈值相比，降低了50%，屏蔽效能最高达到34dB。

如图1、2所示，可以看出未采用本发明方法得到的石墨吸附剑麻纤维填料中，石墨粒子只是粘附在剑麻纤维的表面，与聚合物混合的过程中易脱落。而采用本发明方法得到的石墨吸附剑麻纤维填料中，剑麻经蒸汽爆破瞬间释压作用，剑麻纤维内部的氢键被破坏，游离出新的羟基，同时石墨粒子表层被剥离，释压后膨胀的物料迅速收缩，这样表面被剥离的石墨粒子占据被分离的剑麻纤维表面，与游离出的羟基结合，包覆到剑麻纤维的表面，进而提高了填料的导电性。采用本发明制得的屏蔽材料的屏蔽效能得到了明显的提高。

实施例2  制备甘蔗渣纤维填料

1、将筛选过后甘蔗渣纤维放入NaOH浓度为2%质量碱液中浸泡12小时，用水将剑麻纤维洗至中性，在80℃下干燥5小时；

在95%乙醇溶液中加入醋酸，调节溶液的PH值为5.5；搅拌下加入钛酸酯偶联剂使溶液浓度达到2%质量分数，水解5分钟；加入1000目的石墨粒子，搅拌2分钟；经真空过滤，将石墨粒子与溶液分离，再将分离后的石墨粒子在100℃下干燥12小时；

2、将步骤1得到的石墨和甘蔗渣纤维按1:1的质量比在高混机中高速混合，混合的时间为5分钟，转速为1500rpm；

3、加水浸润，浸润时间为24小时，使步骤2中的混合物的水分含量为60%质量；

4、将步骤3浸润得到的混合物进行蒸汽爆破，爆破温度控制在110℃；

5、爆破后的混合物在高速混合5分钟，转速为750rpm，80℃下干燥，得到石墨粒子包覆甘蔗渣纤维填料；

6、将爆破后的石墨甘蔗渣混合物与PP按1:1质量比开炼混合制得的的复合材料，按照GB12190-2006进行屏蔽性能测试，得材料的渗逾阈值15%左右时，与纯石墨复合材料的渗逾阈值相比，降低了30%，屏蔽效能最高达到30dB。

如图3、4所示，可以看出未采用本发明方法得到的石墨吸附甘蔗渣纤维填料中，未经爆破的甘蔗渣纤维表面光滑，石墨粒子没有粘附到纤维表面。而采用本发明方法得到的石墨吸附甘蔗渣纤维填料中，甘蔗渣纤维经蒸汽爆破瞬间释压作用，甘蔗渣纤维束被打开，同时石墨粒子表层被剥离，释压后膨胀的物料迅速收缩，这样表面被剥离的石墨粒子占据被分离的甘蔗渣纤维表面，与游离出的羟基结合，包覆到甘蔗渣纤维的表面，进而提高了填料的导电性。采用本发明制得的屏蔽材料的屏蔽效能得到了明显的提高。

实施例3  制备中药渣纤维填料

1、将破碎后的中药渣纤维（广藿香）放入NaOH浓度为5%质量碱液中浸泡8小时，用水将中药渣纤维洗至中性，在80℃下干燥5小时；

在95%乙醇溶液中加入醋酸，调节溶液的PH值为4.5；搅拌下加入硅烷偶联剂KH-550使溶液浓度达到2%质量分数，水解5分钟；加入1000目的石墨粒子，搅拌2分钟；经真空过滤，将石墨粒子与溶液分离，再将分离后的石墨粒子在90℃下干燥12小时；

2、将步骤1得到的石墨和中药渣按1:1的质量比在高混机中高速混合，混合的时间为5分钟，转速为1200rpm；

3、加水浸润，浸润时间为24小时，使步骤2中的混合物的水分含量为50%质量；

4、将步骤3浸润得到的混合物进行蒸汽爆破，爆破温度控制在160℃；

5、爆破后的混合物在高速混合5分钟，转速为750rpm，80℃下干燥，得到石墨粒子包覆中药渣纤维填料；

6、将爆破后的石墨中药渣纤维混合物与PP按1:1质量比开炼混合制得的的复合材料，按照GB12190-2006进行屏蔽性能测试，得材料的渗逾阈值15%左右时，与纯石墨复合材料的渗逾阈值相比，降低了30%，屏蔽效能最高达到30dB。

如图5、6所示，可以看出未采用本发明方法得到的石墨吸附中药渣纤维填料中，石墨粒子只是粘附在未经爆破的中药渣纤维表面上，再在后续的工序中易脱落。而采用本发明方法得到的石墨吸附中药渣纤维填料中，中药渣纤维经蒸汽爆破瞬间释压作用，中药渣纤维束被打开，同时石墨粒子表层被剥离，石墨片层粒子之间相互搭接在中药渣纤维的表面，进而提高了填料的导电性。采用本发明制得的屏蔽材料的屏蔽效能得到了明显的提高。

Claims (8)

1.一种蒸汽爆破制备碳系粒子包覆植物纤维填料的方法，其特征在于包括以下步骤： 

（1）将植物纤维放入NaOH浓度为1%-10%质量碱液中浸泡2-24小时，用水将植物纤维洗至中性，在70-100℃下干燥2-5小时；

在95%乙醇溶液中加入醋酸，调节溶液的PH值为4.5-5.5；搅拌下加入偶联剂使溶液浓度达到2%质量分数，水解5-10分钟；加入碳系粒子，搅拌2-5分钟；经真空过滤，将碳系粒子与溶液分离，再将分离后的碳系粒子在80-100℃下干燥8-12小时；

（2）将步骤（1）得到的干燥后的碳系粒子和植物纤维搅拌混合5-10分钟；

（3）加水浸润，使步骤（2）中的混合物的水分含量为40%-60%质量；

（4）将步骤（3）浸润得到的混合物进行蒸汽爆破，爆破温度控制在110-200℃；

（5）爆破后的混合物再高速混合5分钟，80℃下干燥，得到碳系粒子包覆植物纤维填料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）中，用后的碱液回收再用。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤（2）中，步骤（1）得到的干燥后的碳系粒子和植物纤维在高速混合机中搅拌混合，转速为750rpm-1500rpm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤（3）中，浸润时间为12-24小时。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤（1）中所述植物纤维包括剑麻、甘蔗渣、秸秆中的一种以上；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤（5）中高速混合机的转速为750rpm-1500rpm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤（4）中，将塑料基体粉料、偶联剂、表面活性剂与植物纤维碳系粒子混合物一起蒸汽爆破。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述塑料基体为高聚物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种以上。

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