CN103788611A - 高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料及其制备方法，该复合材料由包括以下重量份的组分制成：聚碳酸酯树脂60～70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物10～30份、导电填料3～8份、加工助剂0.1～1份、抗菌剂0.2～3份。与现有技术相比，本发明采用碳纳米管为填料，使制备出的PC/ASA复合材料在具有优良的导电性能同时兼具耐高温、强度高、耐冲击、耐腐蚀、耐热、抗菌和传热等性能。

Description

高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料及其制备方法。
背景技术
仪器仪表上零部件不仅要求材料有很好的力学及加工性能，还要求材料具有很好的导电性。而导电聚碳酸酯合金复合材料具有优异的力学性能和导电性能，可以广泛应用于此类制件。
制备复合型导电高分子通常以通用电绝缘性高分子为主要基质，加入特定的导电填料、添加剂，采用分层、层积复合或原位聚合等方法使表面形成导电膜或整体形成导电体。导电填料分为金属粉、金属纤维、导电高分子、金属盐、炭黑、石墨等。目前市场上流通的其它导电复合型导电高分子材料(导电填料不为碳纳米管)，由于炭黑或金属填充量大而密度较高，同时在使用过程中导电填料易聚集产生应力集中，降低力学性能。采用本发明制备的导电聚碳酸酯合金与之相比，力学性能优异，导电性能稳定，有一定的抗菌环保能力，可广泛应用于仪器仪表领域中，这也越来越发展成仪器仪表零部件材料的一种趋势。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有良好的力学性能和导电性能的高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，该复合材料由包括以下重量份的组分制成：
聚碳酸酯树脂(PC)                         60～70份；
苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物(ASA)    10～30份；
导电填料                                   3～8份；
加工助剂                                 0.1～1份。
所述的聚碳酸酯树脂是分子量为20000～25000的双酚A型聚碳酸酯树脂。
所述的苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物中丙烯酸酯含量为15～70wt％。
所述的导电填料为单壁碳纳米管，该单壁碳纳米管的堆积密度为1.7g/cm3～2.0g/cm3。
所述的加工助剂为相容剂与抗氧剂。
所述的相容剂为三(2，4-二叔丁基)亚磷酸苯酯(简称Irganox168)、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(简称Irganox1010)或1，3，5-三甲基-2，4，6-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲基)苯(简称Irganox1330)中的一种或几种。
所述的抗氧剂为N，N，N’，N’-四缩水甘油基-4，4’二氨基二苯基甲烷(Ag80)、双酚A型液态环氧树脂6101(E44)或异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)中的一种或几种。
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，组分还包括0.2-3份抗菌剂，所述的抗菌剂为无机抗菌剂HN-300(中科院泰兴材料厂)、IONPURE(日本石塚硝子)或Zeomic AW10D(洁而美客)中的一种。
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)导电填料的制备：将碳纳米管溶于去离子水中，超声分散半小时，再将硅烷偶联剂KH550加入到碳纳米管的水溶液中，在室温下搅拌8h，然后将其倒入分离管中，在离心机中以4000r/min离心分离10min，洗涤3次，去掉上层溶液，得到黑色沉淀，置于真空干燥箱60℃干燥8h，得到的单壁碳纳米管即为导电填料；
(2)按照以下重量份备料：聚碳酸酯树脂60～70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物10～30份、导电填料3～8份、加工助剂0.1～1份、抗菌剂0.2～3份；
(3)将聚碳酸酯树脂在100～110℃下干燥4～5小时，将苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物在60～70℃下干燥5～6小时；
(4)将干燥处理后的聚碳酸酯树脂、丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛树脂、加工助剂及抗菌剂通过高速混合机搅拌10～12分钟，形成混合物料；
(5)将步骤(4)得到的混合物料投入到双螺杆挤出机中，熔融反应，将步骤(1)得到的导电填料通过侧位加料的方式加入到双螺杆挤出机中，挤出、造粒，即得到高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料。
所述的双螺杆挤出机包含六个区，其中各区温度及螺杆转速分别为：一区温度100～130℃，二区温度240～250℃，三区温度240～250℃，四区温度230～240℃，五区温度230～240℃，六区温度230～240℃，机头温度220～230℃，螺杆转速为250～350r/min；导电填料在第三区、第四区或第五区处加入到双螺杆挤出机中。
与现有技术相比，本发明采用碳纳米管为填料，使制备出的PC/ASA复合材料在具有优良的导电性能同时兼具耐高温、强度高、耐冲击、耐腐蚀、耐热、抗菌和传热等性能。与传统的PC/ABS复合材料相比，PC/ASA复合材料的耐候性得到明显改善。加工助剂的加入提高了PC与ASA的相容性及两相的界面强度，使得制备的PC/ASA复合材料微观结构更稳定，从而提高材料的宏观力学性能。采用碳纳米管为导电填料能够形成稳定的导电网络，使PC/ASA复合材料具有良好的导电性；在挤出过程中的高速剪切作用下，将碳纳米管从挤出机中间区域加入更有利于碳纳米管及各组分的分散，也更有利于导电通路的形成，提高复合材料导电性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
在下述各个实施例中，聚碳酸酯树脂采用分子量为20000～25000的双酚A型聚碳酸酯树脂；ASA树脂是苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物，其丙烯酸酯含量为15～70wt％；以下实施例，碳纳米管选用北京德科岛金科技有限公司的CNT100及CNT104。
实施例1
聚碳酸酯树脂60kg，ASA树脂25kg，碳纳米管CNT100 3kg，Irganox1680.3kg，Irganox1010 0.4kg，Ag80 0.3kg，抗菌剂HN-300 0.3kg。按所述的重量百分比称取各个组分；将称好的聚碳酸酯树脂在100℃下干燥烘干4小时，将称取的ASA树脂在60℃下干燥烘干6小时；将干燥处理后的聚碳酸酯树脂、ASA树脂及称取的其它各种助剂，通过高速混合机搅拌10分钟，形成混合物料；将混合好的聚碳酸酯树脂、ASA树脂及助剂投入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融反应，在第三区、第四区或第五区处通过侧位加料的方式加入碳纳米管，然后挤出，造粒。所述的双螺杆挤出机包含六个区，其中各区温度及螺杆转速分别为：一区温度100～130℃，二区温度240～250℃，三区温度240～250℃，四区温度230～240℃，五区温度230～240℃，六区温度230～240℃，机头温度220～230℃；螺杆转速250～350r/min。产品性能见表1.
实施例2～实施例6
实施例2-6与实施例1制备步骤和加工温度相同，不同的是碳纳米管是否进行表面处理及各原料的添加量。实施例2～6中，导电填料为用硅烷偶联剂KH550处理后的单壁碳纳米管，堆积密度为1.7g/cm3～2.0g/cm3。
实施例2的添加量为聚碳酸酯树脂70kg，ASA树脂10kg，进行表面处理的碳纳米管CNT100 4kg，60℃干燥8h既得最终产物，Irganox168 0.3kg，Irganox1330 0.3kg，E44 0.2kg，TGIC 0.2kg，抗菌剂IONPURE 0.6kg。具体步骤为：将碳纳米管CNT100溶于去离子水中，超声分散半个小时，再将KH550加入到碳纳米管的水溶液中，在室温下搅拌8h，然后将其倒入分离管中，在离心机中以4000r/min离心分离10min，洗涤3次，去掉上层溶液，得到黑色沉淀，置于真空干燥箱里。
实施例3的添加量为聚碳酸酯树脂60kg，ASA树脂25kg，进行表面处理的碳纳米管CNT104 5kg(处理方法同实例2)，Irganox1330 0.2kg，Irganox10100.3kg，Ag80 0.2kg，E44 0.3kg，抗菌剂Zeomic AW10D 0.4kg。
实施例4的添加量为聚碳酸酯树脂60kg，ASA树脂25kg，进行表面处理的碳纳米管CNT100 6kg(处理方法同实例2)，Irganox1010 0.5kg，Ag80 0.4kg，抗菌剂Zeomic AW10D 0.6kg。
实施例5的添加量为聚碳酸酯树脂60kg，ASA树脂25kg，进行表面处理的碳纳米管CNT104 7kg(处理方法同实例2)，Irganox1330 0.4kg，E44 0.3kg，TGIC 0.3kg，抗菌剂HN-300 0.5kg。
实施例6的添加量为聚碳酸酯树脂60kg，ASA树脂25kg，进行表面处理的碳纳米管CNT100 8kg(处理方法同实例2)，Irganox168 0.4kg，TGIC 0.3kg，Ag80 0.3kg，抗菌剂IONPURE 0.7kg。
性能测试：
将上述实施1-6制备的复合物料先在鼓风烘箱中70℃的条件下干燥6小时，然后将干燥好的复合材料用注塑机制成样条测试。拉伸强度按ASTM D 638标准测试，断裂伸长率按ASTM D 638标准测试，弯曲强度和弯曲模量按ASTMD790标准测试，缺口冲击强度按ASTM D256标准测试，热变形温度按ASTMD648标准测试，表面电导率按IEC60093标准测试。测试数据如下表1：
表1各实施例产品性能测试
Figure BDA00002332442300051
从表1中可以看出，材料的抗菌活性值均大于2，也就是平常所说的抗菌效率达到99％以上，使用过程中安全环保。实施例2与实施例1相比，表面电阻率下降，说明经过处理后的碳纳米管导电性更好一点。随着填加的碳纳米管含量的增加，导电PC/ASA复合材料的表面电阻率也逐渐减小，但是导电PC/ASA复合材料的拉伸强度及冲击强度并没有因为导电填料的加入而有所降低。所以使得制备的PC/ASA复合材料在保持良好的机械性能的同时导电性能得到明显提高，这样的材料能很好的应用于仪器仪表零部件材料领域。
实施例7
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，该复合材料由以下重量份的组分制成：聚碳酸酯树脂(PC)65份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物(ASA)30份、导电填料3份、加工助剂0.1份、抗菌剂3份。
其中，聚碳酸酯树脂是分子量为20000～25000的双酚A型聚碳酸酯树脂。苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物中丙烯酸酯含量为15wt％。导电填料为单壁碳纳米管，该单壁碳纳米管的堆积密度为1.7g/cm3～2.0g/cm3。加工助剂为市售的相容剂三(2，4-二叔丁基)亚磷酸苯酯(简称Irganox168)0.05份与市售的抗氧剂N，N，N’，N’-四缩水甘油基-4，4’二氨基二苯基甲烷(Ag80)0.05份的混合物。抗菌剂为市售的无机抗菌剂IONPURE。
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)导电填料的制备：将碳纳米管(CNT100)溶于去离子水中，超声分散半小时，再将硅烷偶联剂KH550加入到碳纳米管的水溶液中，在室温下搅拌8h，然后将其倒入分离管中，在离心机中以4000r/min离心分离10min，洗涤3次，去掉上层溶液，得到黑色沉淀，置于真空干燥箱60℃干燥8h，得到的单壁碳纳米管即为导电填料；
(2)按照以下重量份备料：聚碳酸酯树脂60～70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物10～30份、导电填料3～8份、加工助剂0.1～1份、抗菌剂0.2～3份；
(3)将聚碳酸酯树脂在100～110℃下干燥4～5小时，将苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物在60～70℃下干燥5～6小时；
(4)将干燥处理后的聚碳酸酯树脂、丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛树脂、加工助剂及抗菌剂通过高速混合机搅拌10～12分钟，形成混合物料；
(5)将步骤(4)得到的混合物料投入到双螺杆挤出机中，熔融反应，将步骤(1)得到的导电填料通过侧位加料的方式加入到双螺杆挤出机中，挤出、造粒，即得到高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料。
双螺杆挤出机包含六个区，其中各区温度及螺杆转速分别为：一区温度100～130℃，二区温度240～250℃，三区温度240～250℃，四区温度230～240℃，五区温度230～240℃，六区温度230～240℃，机头温度220～230℃，螺杆转速为250～350r/min；导电填料在第三区、第四区或第五区处加入到双螺杆挤出机中。
实施例8
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，该复合材料由以下重量份的组分制成：聚碳酸酯树脂(PC)70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物(ASA)20份、导电填料8份、加工助剂0.1份。
其中，聚碳酸酯树脂是分子量为20000～25000的双酚A型聚碳酸酯树脂。苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物中丙烯酸酯含量为70wt％。导电填料为单壁碳纳米管，该单壁碳纳米管的堆积密度为1.7g/cm3～2.0g/cm3。加工助剂为相容剂与抗氧剂重量比1∶1的混合物，其中，相容剂为市售的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(简称Irganox1010)，抗氧剂为市售的双酚A型液态环氧树脂6101(E44)。抗菌剂为市售的无机抗菌剂HN-300。
一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)导电填料的制备：将碳纳米管(CNT104)溶于去离子水中，超声分散半小时，再将硅烷偶联剂KH550加入到碳纳米管的水溶液中，在室温下搅拌8h，然后将其倒入分离管中，在离心机中以4000r/min离心分离10min，洗涤3次，去掉上层溶液，得到黑色沉淀，置于真空干燥箱60℃干燥8h，得到的单壁碳纳米管即为导电填料；
(2)按照以下重量份备料：聚碳酸酯树脂60～70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物10～30份、导电填料3～8份、加工助剂0.1～1份、抗菌剂0.2～3份；
(3)将聚碳酸酯树脂在100～1I0℃下干燥4～5小时，将苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物在60～70℃下干燥5～6小时；
(4)将干燥处理后的聚碳酸酯树脂、丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛树脂、加工助剂及抗菌剂通过高速混合机搅拌10～12分钟，形成混合物料；
(5)将步骤(4)得到的混合物料投入到双螺杆挤出机中，熔融反应，将步骤(1)得到的导电填料通过侧位加料的方式加入到双螺杆挤出机中，挤出、造粒，即得到高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料。
双螺杆挤出机包含六个区，其中各区温度及螺杆转速分别为：一区温度100～130℃，二区温度240～250℃，三区温度240～250℃，四区温度230～240℃，五区温度230～240℃，六区温度230～240℃，机头温度220～230℃，螺杆转速为250～350r/min；导电填料在第三区、第四区或第五区处加入到双螺杆挤出机中。

Claims (10)

1.一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，该复合材料由包括以下重量份的组分制成：
聚碳酸酯树脂                        60～70份；
苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物    10～30份；
导电填料                            3～8份；
加工助剂                            0.1～1份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的聚碳酸酯树脂是分子量为20000～25000的双酚A型聚碳酸酯树脂。
3.根据权利要求1所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物中丙烯酸酯含量为15～70wt％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的导电填料为单壁碳纳米管，该单壁碳纳米管的堆积密度为1.7g/cm3～2.0g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的加工助剂为相容剂与抗氧剂。
6.根据权利要求5所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的相容剂为三(2，4-二叔丁基)亚磷酸苯酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯或1，3，5-三甲基-2，4，6-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲基)苯中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为N，N，N’，N’-四缩水甘油基-4，4’二氨基二苯基甲烷、双酚A型液态环氧树脂6101或异氰尿酸三缩水甘油酯中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料，其特征在于，还包括0.2-3份抗菌剂，所述的抗菌剂为无机抗菌剂HN-300(中科院泰兴材料厂)、IONPURE(日本石塚硝子)或AW10D(洁而美客)中的一种。
9.一种如权利要求1所述的高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)导电填料的制备：将碳纳米管溶于去离子水中，超声分散半小时，再将硅烷偶联剂KH550加入到碳纳米管的水溶液中，在室温下搅拌8h，然后将其倒入分离管中，在离心机中以4000r/min离心分离10min，洗涤3次，去掉上层溶液，得到黑色沉淀，置于真空干燥箱60℃干燥8h，得到的单壁碳纳米管即为导电填料；
(2)按照以下重量份备料：聚碳酸酯树脂60～70份、苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物10～30份、导电填料3～8份、加工助剂0.1～1份、抗菌剂0.2～3份；
(3)将聚碳酸酯树脂在100～110℃下干燥4～5小时，将苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯三元共聚物在60～70℃下干燥5～6小时；
(4)将干燥处理后的聚碳酸酯树脂、丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛树脂、加工助剂及抗菌剂通过高速混合机搅拌10～12分钟，形成混合物料；
(5)将步骤(4)得到的混合物料投入到双螺杆挤出机中，熔融反应，将步骤(1)得到的导电填料通过侧位加料的方式加入到双螺杆挤出机中，挤出、造粒，即得到高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种高强度导电聚碳酸酯合金环保复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机包含六个区，其中各区温度及螺杆转速分别为：一区温度100～130℃，二区温度240～250℃，三区温度240～250℃，四区温度230～240℃，五区温度230～240℃，六区温度230～240℃，机头温度220～230℃，螺杆转速为250～350r/min；导电填料在第三区、第四区或第五区处加入到双螺杆挤出机中。
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