CN109337348A - 一种防静电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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袁聪
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Abstract

本发明公开了一种防静电复合材料及其制备方法，该复合材料结构包括三维连通骨架和聚氨酯填充体，三维连通骨架是由导电材料制成的网络结构，该复合材料兼具三维连通骨架结构的力学特性以及聚氨酯弹性体的理化本征特性，三维连通导电骨架贯穿于聚氨酯弹性体的整体形成了一个完整的导电网络，复合材料中聚氨酯表面接触摩擦过程中产生的静电电荷能够快速、有效地被分散传导至整个网络中，以此达到降低表面静电电压的目的；且三维连通的骨架结构兼具较好的载荷支撑作用，可有效地分散界面接触应力，在保证复合材料静电防护性能的同时增强了耐磨性，特别适合于聚氨酯弹性体的摩擦学应用领域。

Description

一种防静电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚氨酯防静电复合材料制备技术领域，涉及一种防静电复合材料及其制备方法。
背景技术
聚氨酯(PU)弹性体因其卓越的机械力学特性以及化学稳定性，已广泛应用于工业摩擦学领域。然而，由于聚氨酯弹性体本身的绝缘特性(体积电阻率1013～1015Ω·cm，表面电阻率～1012Ω·sq-1)，在摩擦应用过程中往往容易形成静电聚积，甚至出现静电放电现象，引发一系列事故和灾害，如火灾、爆炸、组件故障等等。为了抑制或避免聚氨酯弹性体的静电放电现象，就要通过各种手段增强其抗静电性。为达到这一目的，可以将各种抗静电剂添加到聚氨酯弹性体中。目前，主要有两种方法来增强这类聚合物的抗静电性：一种是表面添加活性剂，另一种是在聚氨酯原料中添加抗静电剂。表面添加活性剂多采用涂敷或者浸渍的方法使聚氨酯弹性体表面获得一层活性离子层，使其具有抗静电性，该方法具有操作简单且不影响聚氨酯弹性体原有物性的优点，但该方法得到的抗静电性存在持续时间短，所形成的抗静电层在遇水或经过摩擦后易失效等缺陷。在聚氨酯原料中添加的抗静电剂，主要是以碳基和无机材料作为填充剂，从维持聚氨酯弹性体的力学性能的角度来看，这类添加剂的用量需要尽可能地少，因此在另一方面又使得导电介质通常是离散的、不连续的，在低静电压下并不容易形成有效的传导途径，这很容易造成静电电荷的积累。
申请号201820011275.9公开了一种导电聚氨酯滚轮，形式上包括轮芯、聚氨酯层和金属网，其中金属网嵌在聚氨酯层中，金属网外边缘呈齿状，齿尖裸露出聚氨酯层表面，该结构中金属网作为二维的导电网络，其孔隙率大、导电效果低，并且导电金属网仅作用于聚氨酯滚轮的一部分区域，表面电荷的整体传导效果并不突出，在滚轮边缘仍易造成静电电荷的积累，未能真正改善聚氨酯的整体抗静电性能。申请号201510953026.2公开了一种抗静电聚氨酯树脂及其应用，其中将碳纳米管、导电炭黑、增塑剂、分散剂与聚酯多元醇P1混合作为聚氨酯树脂A组份，聚酯多元醇P2作为聚氨酯树脂B组份，A、B组份充分混合交联后得到所述抗静电聚氨酯树脂，该发明的特点是将碳纳米管及导电炭黑作为抗静电剂直接加入聚氨酯预聚体中，与其充分混合而得到抗静电聚氨酯，其具有对聚氨酯弹性体物性破坏小的优点，但因碳纳米管和导电炭黑的添加是通过直接与预聚体混合搅拌，这使得碳纳米管及导电炭黑在聚氨酯弹性体中的分布是离散的、间断的、不可控的，通过该方法获得的聚氨酯抗静电性能并不稳定，仍需进一步改善。
发明内容
本发明提供了一种以三维连通导电网络为骨架的聚氨酯防静电复合材料，将具有一定机械强度的高传导、高稳定性的三维导电网络作为骨架，用液态的、具有流动性的聚氨酯预聚体对三维骨架灌封制备成具有优异防静电性能复合材料，满足实际应用需求。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种防静电复合材料，包括：聚氨酯弹性体和嵌入在聚氨酯弹性体中的骨架，所述骨架是三维连通导电骨架，三维连通导电骨架呈三维连通导电网络结构。
作为上述技术方案的改进，所述三维连通导电网络结构是指具有开孔结构的多孔导电材料。
作为上述技术方案的改进，所述多孔导电材料是泡沫金属、金属橡胶、泡沫碳石墨、泡沫石墨烯、泡沫碳纳米管、多孔导电聚合物中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，具有开孔结构的多孔导电材料的孔径＜1mm。
作为上述技术方案的改进，所述三维连通导电网络结构是通过电泳沉积、电镀/铸、粉末冶金、发泡、编织、卷绕、化学气相沉积等方法得到，或是其中一种或一种以上的方法结合实现三维连通骨架的制备。
作为上述技术方案的改进，所述聚氨酯弹性体在成型前的预聚体是液态的、具有流动性的。
作为上述技术方案的改进，所述聚氨酯弹性体是浇注型聚氨酯弹性体、热塑型聚氨酯弹性体或混炼型聚氨酯弹性体。
具体地，所述防静电复合材料制备方法包括：
步骤(1)：先将三维连通导电网络结构制成所需形状作为骨架；
步骤(2)：再用液态的聚氨酯预聚体对骨架进行浇注灌封、固化，即得所述聚氨酯防静电复合材料。
与传统或现有技术对比，本发明的有益效果：
(1)本方案是将具有一定机械强度的高传导、高稳定性的三维导电网络作为骨架，用液态的、具有流动性的聚氨酯预聚体对三维骨架灌封制备成具有优异防静电性能的复合材料；三维连通的开孔结构赋予了液态的聚氨酯预聚体良好的浇注工艺可行性，聚合固化后形成一个全面贯穿于聚氨酯弹性体各部位的完整导电网络，聚氨酯弹性体表面接触摩擦过程中形成的静电电荷能够快速、有效地被导电网络传导并分散，从而达到降低接触表面静电电压的目的。
(2)三维连通的骨架结构兼具较好的力学强度，在复合材料中特别是接触摩擦界面上将起到载荷支撑作用，使得接触区域接触应力得到有效的分散；磨损面的更迭过程中三维骨架结构也保证了界面摩擦特征的基本一致性，使复合材料耐磨性有效提高。
(3)三维连通导电网络的加入能够使其接触表面静电电压相比减小90％以上，同时还能够一定程度上增强聚氨酯弹性体的耐磨性能，相比于其他聚氨酯抗静电改性方法，本方案提供的聚氨酯防静电复合材料尤其适合于聚氨酯摩擦件的静电防护应用。
附图说明
图1为本发明所述防静电复合材料结构示意图；
图2为本发明以泡沫金属(铜)为三维导电网络的聚氨酯复合材料形貌图；
图3为本发明以泡沫金属+聚氨酯复合材料的抗摩擦静电对比图；
图4为本发明以泡沫金属+聚氨酯复合材料的磨损性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示：本发明的防静电复合材料，主要包括聚氨酯弹性体1和嵌入弹性体1中的骨架2，所述骨架2是三维连通的导电网络结构。
所述三维连通导电网络的结构是指具有开孔结构的多孔导电材料，可以是泡沫金属、金属橡胶、泡沫碳石墨、泡沫石墨烯、泡沫碳纳米管、多孔导电聚合物中的一种或一种以上。本实施例选用的是泡沫金属(铜)作为三维连通导电骨架，该三维连通骨架的结构如图2所示：泡沫金属铜是由电化学复制、热处理还原工艺制备，实施例选择四种不同ppi(每英寸的孔数)规格的泡沫金属铜作为填充的三维骨架，选用聚氨酯预聚体类型C-2090和固化剂MOCA。
该防静电复合材料在本实施例中的具体制备方法，包括以下步骤：
(1)将预聚物C-2090加热到80～90℃，固化剂MOCA加热到～120℃，液化后将预聚物和固化剂以C-2090：MOCA＝100：15的质量比混合搅拌，并抽真空除泡；
(2)泡沫金属铜按照需求切割并放入一个内表面涂有脱模剂的模具型腔中，将步骤(1)得到的液态聚氨酯预聚体浇注其中，并通过真空辅助来使聚氨酯预聚体充分填充灌封泡沫金属铜的骨架结构；
(3)闭合模腔，将其放入一个烤箱中，在120℃的温度下固化1小时，再以100℃的温度进行二次固化12小时；
(4)冷却至室温，脱模，对脱模后的样件进行修整、裁切，即可得到本实施例的泡沫金属铜+聚氨酯防静电复合材料。
针对实施例中形成的具有三维连续金属骨架结构的泡沫金属铜+聚氨酯复合材料，考察了该复合材料的防静电能力以及耐磨性能，磨损性能测试在AKRON磨耗试验机上完成，测试距离1.61km。结果表明，连通金属骨架结构可以形成较好的导电网络，降低摩擦表面产生的静电电压(降低到1/10以下)(如图3所示)；同时由于金属骨架的支撑作用，在一定的孔径下，可以增强聚氨酯弹性体1的耐磨性能，相比于纯铜(Cu)和纯聚氨酯(PU)弹性体，复合材料的磨耗量降低到约1/5以下(如图4所示)；可见，三维导电骨架的嵌入不仅改善了聚氨酯的静电防护性能，同时也提高了基材的耐磨性能，为聚氨酯弹性体1摩擦防静电的设计提供了设计思路。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防静电复合材料，其特征在于：包括：聚氨酯弹性体(1)和嵌入在聚氨酯弹性体(1)中的骨架(2)，所述骨架(2)是三维连通导电骨架，所述三维连通导电骨架呈三维连通导电网络结构。
2.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述三维连通导电网络结构是指具有开孔结构的多孔导电材料。
3.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述多孔导电材料是泡沫金属、金属橡胶、泡沫碳石墨、泡沫石墨烯、泡沫碳纳米管、多孔导电聚合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述具有开孔结构的多孔导电材料的孔径＜1mm。
5.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述三维连通导电网络结构是通过电泳沉积、电镀/铸、粉末冶金、发泡、编织、卷绕、化学气相沉积等方法得到，或其中一种或一种以上的方法结合实现三维连通骨架的制备。
6.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述聚氨酯弹性体(1)在成型前的预聚体是液态的、具有流动性的。
7.根据权利要求1所述防静电复合材料，其特征在于：所述聚氨酯弹性体(1)是浇注型聚氨酯弹性体、热塑型聚氨酯弹性体或混炼型聚氨酯弹性体。
8.根据权利要求1-7所述防静电复合材料制备方法，其特征在于：
步骤(1)：先将三维连通导电网络结构制成所需形状作为骨架；
步骤(2)：再用液态的聚氨酯预聚体对骨架进行浇注灌封、固化，即得所述聚氨酯防静电复合材料。
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