CN103194059A - 一种低成本低添加导电尼龙6复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热塑性工程塑料，特指一种成本低添加导电尼龙6复合材料及其制备方法。本发明通过选择合适的石墨烯微片、导电炭黑，采用特定配方组合，和特定的加工设备和工艺，制备了具有低成本、低添加、导电的尼龙6复合材料，本发明得到的复合材料不仅赋予了尼龙6优异的导电特性，而且降低了成本，减少了导电填料的用量。

Description

一种低成本低添加导电尼龙6复合材料及其制备方法
技术领域
  本发明涉及热塑性工程塑料，特指一种成本低添加导电尼龙6复合材料及其制备方法。 
背景技术
尼龙-6是一种性能优异的热塑性工程塑料，较好的力学性能，良好的耐化学腐蚀等特性，在工业领域和日常生活中应用广泛；但PA-6的表面电阻高，导电能力差，表面极易因摩擦而积聚静电荷从而影响PA-6的应用；如果赋予PA-6良好的导电导热性，在煤矿、石油、化工、纺织、电子及半导体工业等领域，PA-6可以替代部分导电材料，对降低生产成本、提高生产效益具有重要的意义。 
通常采用加入导电填料的方式改善尼龙的电性能。中国专利CN201010171713.6，CN201210342929.3，CN201210066274.1等分别公开了现阶段对尼龙材料电性能的一些改善方法，但是这些专利均存在一些问题，采用母粒法虽然可以使得导电填料在基体中的较好分散，但是增加了生产步骤，而且多次加工会对材料的力学性能等产生较高的负面作用；采用直接聚合的方法虽然填料添加量较少，但是生产设备往往比较巨大，产品灵活性不足；而采用碳纳米管等功能填料对材料进行改性需要面对现今高昂的原料价格，同时采用传统的塑料改性加工工艺很难达到纳米管显示特异优秀效果所需的分散尺度，所以亦不适合大范围使用。 
自2004年Geim等发现石墨烯以来，以其优异的性能得到了国内外学者的广泛关注；石墨烯不仅拥有优异的电性能，导热性能和机械强度，以及独特的量子霍尔效应，量子隧穿效应等，可以用来制备高性能的导电复合高分子材料。层数超过10层的多层石墨烯结构被称为石墨烯微片（GNPs），具有超大的形状比，作为导电填料使用时，有利于在聚合物内形成导电通路，导电逾渗阈值大为降低，而且石墨烯与炭黑共同协同作用可以减少导电填料的添加量，同时由于石墨烯微片的分散尺度较碳纳米管高的多，而通过水热法等可以成熟而廉价的制备石墨烯，因此可以大幅降低导电材料的成本。 
虽然已经有报道称聚合物中添加导电填料可以赋予聚合物导电性能，石墨烯的导电性能也很优异，但是本发明使用的是石墨烯微片，为石墨烯的聚集体，价格比石墨烯便宜的多；其次虽然添加更低成本的炭黑作为导电填料来降低材料成本的手段很常用，但是添加配比才是本专利的独特之处，实际上本专利背后是利用理论对最大导电通路数量进行了理论推导才确定了比例关系，从而使得填料的比例运用不再是盲目的；“层数超过10层的多层石墨烯结构被称为石墨烯微片（GNPs），具有超大的形状比，作为导电填料使用时，有利于在聚合物内形成导电通路，导电逾渗阈值大为降低，”不能算作公知常识，首先石墨烯微片作为单独的主体仍未被广泛认识，到是两个极端即石墨和单层石墨烯比较背大众熟知，对于特定尺寸范围的低成本石墨烯微片，大众仍然很少给予足够的关注和有效利用。 
现今的多数导电高分子的制备工艺是依赖材料中的导电填料相互搭接，形成导电网络的方式实现材料导电的，从这种导电原理上我们可以推论，不同比表面积的导电填料相互协作，可以降低导电填料的需求量，改善材料加工特性等，同时会对极限电阻率产生影响。 
发明内容
本发明对理论推测进行了验证后进行应用，提供一种低成本低添加导电尼龙6复合材料的制备方法，通过该方法制备的导电尼龙6复合材料具有导电性好，成本低，填料添加量少等优点。 
为实现上述目的，本发明的技术方案是： 
一种低成本低添加导电尼龙6复合材料，其组成成分和重量份数配比为：尼龙6  95份、导电炭黑1-5份、石墨烯微片1-5份。
其中所述尼龙6为中、低粘度尼龙6，特性粘数2.2-2.9，相对分子质量1.3-1.6万。 
其中所述导电炭黑比表面积x为10≤x≤50m2/g、50＜x≤100 m2/g、100＜x≤1000 m2/g中的一种；或二种按照1：n质量比混合，n为1-5之间的整数；或三种按照1：n：n2的质量比混合，n为1-5之间的整数。 
其中所述石墨烯微片的碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内，径向宽度不低于20微米。 
低成本低添加导电尼龙6复合材料的制作方法，按照下述三种方式进行： 
（1）按照所述比例称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，在高速混合机中混合均匀，使用双螺杆挤出机挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
（2）按照所述比例称取尼龙6和石墨烯微片，在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机挤出造粒；称取经过干燥的前述步骤得到的复合材料粒子和导电炭黑，在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。 
（3）按照所述比例称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料双螺杆挤出机，由主喂料口喂入尼龙6，第一辅助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入导电炭黑，挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。 
有益效果：本发明通过选择合适的石墨烯微片、导电炭黑，采用特定配方组合，和特定的加工设备和工艺，制备了具有低成本、低添加、导电的尼龙6复合材料，本发明得到的复合材料不仅赋予了尼龙6优异的导电特性，而且降低了成本，减少了导电填料的用量。 
具体实施方式
以下通过具体实例来说明本发明，本发明包括但不限于这些实例。 
在下列实施例的复合材料配方中，尼龙6选用中低粘度的尼龙6，特性粘数2.2-2.9，相对分子质量1.3-1.6万，例如广东新会美达锦纶股份有限公司新会德华尼龙切片有限公司生产的，商品牌号m2800；导电炭黑选用比表面积为10-50 m2/g的例如特密高比利时公司生产的，商品牌号150G，比表面积为50-100 m2/g的例如特密高比利时公司生产的，商品牌号250G，比表面积为100-1000 m2/g的，例如特密高比利时公司生产的，商品牌号350G；石墨烯微片选用碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内，径向宽度可达数个到数十个微米，具有超大的形状比（直径/厚度比）的超薄的石墨烯层状堆积体，例如宁波墨西科技有限公司生产的，商品牌号Morsh-P2。 
实施例1 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重40g（比表面积10-50 m2/g、50-100 m2/g、100-1000 m2/g的导电碳黑依次按照1:2:4称取），石墨烯微片10g；尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，在高速混合机中混合10min，使用双螺杆挤出机挤出造粒（可增加螺杆剪切捏合段长度）挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
实施例2 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重30g（比表面积10-50 m2/g、100-1000 m2/g的导电碳黑按照1:4称取），石墨烯微片20g；尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，在高速混合机中混合10min，使用双螺杆挤出机挤出造粒（可增加螺杆剪切捏合段长度）挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
实施例3 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重40g（比表面积10-50 m2/g、50-100 m2/g、100-1000 m2/g的导电碳黑依次按照1:4:16称取），石墨烯微片10g；尼龙6和石墨烯微片，在高速混合机中混合10min，使用双螺杆挤出机挤出造粒（可增加螺杆剪切捏合段长度）挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，得到导电尼龙6复合材料粒子；将前述步骤得到的复合材料粒子进行干燥，与导电炭黑在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机在相同的工艺参数下挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
实施例4 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重30g（比表面积10-50 m2/g、50-100 m2/g、100-1000 m2/g的导电碳黑依次按照1:3:9称取），石墨烯微片20g；尼龙6和石墨烯微片，在高速混合机中混合10min，使用双螺杆挤出机挤出造粒（可增加螺杆剪切捏合段长度）挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，得到导电尼龙6复合材料粒子；将前述步骤得到的复合材料粒子进行干燥，与导电炭黑在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机在相同的工艺参数下挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
实施例5 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重40g（50-100 m2/g、100-1000 m2/g的导电碳黑按照1:5称取），石墨烯微片10g；称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料双螺杆挤出机，由主喂料口喂入尼龙6，第一辅助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入导电炭黑，挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
实施例6 
配方：尼龙6 950g，导电炭黑总重30g（比表面积50-100 m2/g），石墨烯微片20g；称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料双螺杆挤出机，由主喂料口喂入尼龙6，第一辅助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入导电炭黑，挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm，挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
得到的导电尼龙6复合材料使用平板硫化机以245℃，15MP压成1mm厚度片材，裁为标准试样后测试电导率参数，测试结果如表1。 
将实施例1-6所得试样进行电性能测试，结果如下： 
Figure 2013101176590100002DEST_PATH_IMAGE001
纯尼龙的体积电阻率一般为1012Ω.Cm左右，而通常市售的导电复合材料虽然可以达到104Ω.Cm的体积电阻率，但是导电填料的添加量一般在15-30%，而较低添加量的碳纳米管复合材料的造价十分高昂，由上表对比可知，本发明可以在较低导电填料添加量和成本下得到良好的导电尼龙6复合材料。 

Claims (7)

1.一种低成本低添加导电尼龙6复合材料，其特征在于：其组成成分和重量份数配比为：尼龙6 95份、导电炭黑1-5份、石墨烯微片1-5份。
2.如权利要求1所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料，其特征在于：所述尼龙6为中、低粘度尼龙6，特性粘数2.2-2.9，相对分子质量1.3-1.6万。
3.如权利要求1所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料，其特征在于：所述导电炭黑按照比表面积x选择10≤x≤50m2/g、50＜x≤100 m2/g、100＜x≤1000 m2/g中的一种；或二种按照1：n质量比混合，n为1-5之间的整数；或三种按照1：n：n2的质量比混合，n为1-5之间的整数。
4.如权利要求1所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料，其特征在于：所述石墨烯微片的碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内，径向宽度不低于20微米。
5.如权利要求1所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于按照下述三种方式的其中一种进行：
（1）按照所述比例称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，在高速混合机中混合均匀，使用双螺杆挤出机挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料；
（2）按照所述比例称取尼龙6和石墨烯微片，在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机挤出造粒；称取经过干燥的前述步骤得到的复合材料粒子和导电炭黑，在高速混合机中混合均匀后，使用双螺杆挤出机挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料；
（3）按照所述比例称取尼龙6、导电炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料双螺杆挤出机，由主喂料口喂入尼龙6，第一辅助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入导电炭黑，挤出造粒，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。
6.如权利要求5所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：使用双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm。
7.如权利要求5所述的一种低成本低添加导电尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于：采用分段式喂料双螺杆挤出机，挤出机设定温度为，喂料段至机头分别为230℃，235℃，235℃，240℃，240℃，螺杆转速200rpm。
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