CN108503971A - 一种石墨烯导电塑料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯导电塑料及其制备方法，将石墨烯和其它导电填料混合复配，加入偶联剂和分散剂，混合均匀后添加到树脂中，经双螺杆挤出机熔融共混、挤出造粒，即可得到导电塑料母粒。该制备方法得到的石墨烯导电塑料能够使石墨烯均匀分散在塑料基体中，具备高导电性。

Description

一种石墨烯导电塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及塑料改性技术领域，更具体地说，本发明涉及一种塑料与石墨烯复合的导电塑料母粒及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的进步与塑料工业的发展，塑料已被广泛地应用于国民经济生活的各个领域，然而其固有的电绝缘性使塑料制品容易积累静电荷，形成较高的静电压，造成灰尘及其他污物的吸附、产生静电放电与电击现象。这样使得一些静电敏感材料如微电子元件、集成电路、轻质油品、火药等在生产和使用过程中受到静电的危害越来越突出。此外，由于电子工业和信息产业的高速发展，小型化、轻量化、数字化、高密度集成化及灵敏度越来越高的现代电子元器件很容易受到频繁的电磁波和射频这类复杂电磁环境的干扰，甚至产生误动作、出现图像障碍以及声音障碍等。因此，对于应用在上述领域中的塑料制品，人们还要求其具备一定的导电性能，以提供良好的防静电性或电磁波及射频干扰屏蔽性能。
导电塑料是将热塑性树脂和导电物质混合，用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料。目前广泛应用的导电塑料一般都是通过向塑料基体中添加各种导电填料制备而成的复合型导电材料，常用的导电填料有金属系和炭黑系两大类。由金属系导电填料的制备而成的导电塑料成本高，刚性较强，密度较大，应用范围较小，不适合现今轻量化的发展需求。目前，使用炭黑系填料制备而成的导电塑料是最常见、应用最广泛的一种导电塑料，因为炭黑资源丰富、价格低廉而且复合后导电性能稳定持久，拥有良好的导电性能。然而，在这类导电塑料的制备过程中，导电炭黑的添加量都比较高，大多数都在10％以上，在高填充量的情况下，虽然导电性能得到了保障，但是力学性能和加工性能受到了明显的影响。因此，开发新型的导电填料对于制备高导电性的塑料制品具有重要的应用价值。
石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，仅由一个原子层厚的单层石墨片构成，是目前己知的最薄、最坚硬的纳米材料。常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s)，体积电阻率约为10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世界上电阻率最小的材料。将其与塑料复合制备成石墨烯/聚合物导电塑料，将会是最好的导电填料之一，实现在较低的填充量下制备高导电性的导电塑料的目的。然而由于纳米尺寸效应使得石墨烯片层之间极易发生团聚，并且由于石墨烯的化学稳定性，与聚合物及其它物质之间的界面结合力差，使得石墨烯在塑料基体中分散不均匀，从而导致填充后的高分子材料的导电性能不稳定，影响使用。因此开发新型的制备工艺使石墨烯均匀分散在塑料基体中以制备高导电性的石墨烯导电塑料是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种石墨烯导电塑料及其制备方法，将石墨烯和其它导电填料混合复配，加入偶联剂和分散剂，混合均匀后添加到树脂中，经双螺杆挤出机熔融共混、挤出造粒，即可得到导电塑料母粒。该制备方法得到的石墨烯导电塑料能够使石墨烯均匀分散在塑料基体中，具备高导电性。
本发明的技术方案：一种石墨烯导电塑料，包含如下组分：
所述石墨烯导电填料为石墨烯与其他导电填料的混合物，所述其他导电填料为导电炭黑、碳纳米管、导电碳纤维、球型导电石墨、云母粉中的一种或者两种以上组合。
进一步的，所述石墨烯导电填料中，石墨烯：其他导电填料＝2～10:1。
其中，所述树脂为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)中的一种或者两种以上的组合。
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
所述分散剂为硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、乙撑双硬酯酰胺、低分子量离聚物、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或几种。
所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂330中的一种或几种。
具体工艺路线：将石墨烯导电填料、偶联剂、分散剂按比例混合后，在高速混合机中混合5～15分钟。然后添加到树脂中，加入抗氧剂和石蜡，搅拌均匀，得到混合物。将该混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。
有益效果：
1、本发明涉及石墨烯和其它导电填料的复配使用，通过不同导电填料的协同作用构筑立体的导电网络结构，同时有效地避免了石墨烯的团聚和堆积。
2、石墨烯导电填料的添加量少，对塑料基体的综合性能影响小，不高于8％的添加量可使塑料的表面电阻达到≤105Ω。
3、制备工艺简单，操作方便，适用于常见的多种塑料基材，并能达到持久稳定的导电效果。
具体实施方式
本发明提供一种石墨烯导电塑料，将石墨烯和其它导电填料混合复配，加入偶联剂和分散剂，混合均匀后添加到树脂中，经双螺杆挤出机熔融共混、挤出造粒，即可得到导电塑料母粒。
实施例1：
石墨烯导电塑料的制备方法，将8份石墨烯导电填料、1份偶联剂、2份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到88份PVC树脂中，加入0.6份抗氧剂和0.4份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为6份石墨烯与2份导电炭黑的混合物。所得样品的表面电阻值为106Ω。
实施例2：
石墨烯导电塑料的制备方法，将6份石墨烯导电填料、3份偶联剂、1份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到89份PET树脂中，加入0.5份抗氧剂和0.5份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为4份石墨烯与2份碳纳米管的混合物。所得样品的表面电阻值为107Ω。
实施例3：
石墨烯导电塑料的制备方法，将4份石墨烯导电填料、2份偶联剂、1份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到92份PPS树脂中，加入0.4份抗氧剂和0.6份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为3份石墨烯与1份导电碳纤维的混合物。所得样品的表面电阻值为105Ω。
实施例4：
石墨烯导电塑料的制备方法，将5份石墨烯导电填料、2份偶联剂、2.5份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到90份PSF树脂中，加入0.2份抗氧剂和0.3份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为4份石墨烯与0.5份导电炭黑与0.5份球型导电石墨的混合物。所得样品的表面电阻值为105Ω。
实施例5：
石墨烯导电塑料的制备方法，将7份石墨烯导电填料、3份偶联剂、2份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到87份PA树脂中，加入0.8份抗氧剂和0.2份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为5份石墨烯与1份导电炭黑与1份云母粉的混合物。所得样品的表面电阻值为108Ω。
实施例6：
石墨烯导电塑料的制备方法，将5份石墨烯导电填料、2份偶联剂、2份分散剂混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到90份PC树脂中，加入0.5份抗氧剂和0.5份石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。其中，石墨烯导电填料为3份石墨烯与1.5份碳纳米管与0.5份云母粉的混合物。所得样品的表面电阻值为106Ω。
上述实施例中，所述树脂为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)中的一种或者两种以上的组合。
上述塑料样品的表面电阻测试结果如表1所示
从表1中数据可以看出，使用本发明中的石墨烯导电填料，在较低的填充量下即可显著提高塑料基体的导电性能。
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
所述分散剂为硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、乙撑双硬酯酰胺、低分子量离聚物、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或几种。
所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂330中的一种或几种。
本发明所涉及的导电塑料可作为一种优异的抗静电、静电屏蔽材料，应用领域包括：
(1)电子、电器领域内用作集成电路、芯片、传感器护套等精密电子元件生产过程中使用的防静电周转箱、托盘、包装袋、仪表外壳等；
(2)电脑、自动化系统以及消费电子领域的电器产品屏蔽；
(3)矿业开采过程中抗静电运输带、管道、安全网以及电缆等；
(4)防爆产品的外壳及结构件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种石墨烯导电塑料，其特征在于：包含如下组分：
所述石墨烯导电填料为石墨烯与其他导电填料的混合物，所述其他导电填料为导电炭黑、碳纳米管、导电碳纤维、球型导电石墨、云母粉中的一种或者两种以上组合。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电塑料，其特征在于：所述石墨烯导电填料中，石墨烯：其他导电填料＝2～10:1。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电塑料，其特征在于：所述树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚砜、聚苯硫醚、聚碳酸酯、尼龙中的一种或者两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电塑料，其特征在于：所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或者两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电塑料，其特征在于：所述分散剂为硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、乙撑双硬酯酰胺、低分子量离聚物、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或者两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电塑料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂330中的一种或者两种以上的组合。
7.一种制备权利要求1-6任一所述的石墨烯导电塑料的方法，其特征在于：具体步骤如下：将石墨烯导电填料、偶联剂、分散剂按比例混合后，在高速混合机中混合5～15分钟；然后添加到树脂中，加入抗氧剂和石蜡，搅拌均匀，得到混合物；将混合物加入到长径比为25～40的双螺杆挤出机中，经熔融共混，挤出造粒，即可形成导电塑料母粒。
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