CN109517375A - 一种导电尼龙材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导电尼龙材料及其制备方法，该导电尼龙材料由以下质量百分比的组分制备得到：尼龙树脂为43‑48%、碳纤维20‑40%、玻璃纤维10‑30%、抗氧剂0.2‑0.6%、光稳定剂0.4‑1%、润滑剂0.2‑1%、相容剂1‑3%、油类0.2‑0.5%。导电尼龙材料的制备方法包括预混料制备和成品制备。本发明所制备的导电尼龙材料增加了导电尼龙的导电性及机械强度，与传统的添加导电炭黑、金属粉末、石墨相比，提高了材料的机械强度。与加入有机络合系化合物相比，本发明的导电尼龙材料具有导电性能的永久稳定性，不受使用环境影响等优点。此外，减少了使用炭黑、金属粉末时对车间生产环境及操作人员的不良影响。

Description

一种导电尼龙材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及树脂材料领域，尤其涉及一种导电尼龙材料及其制备方法。
背景技术
与金属相比，塑料具有比重轻、耐化学腐蚀、设计自由度高、废品率低、吸声减震等优点，随着“以塑代钢”、“汽车轻量化、家电轻薄时尚化”等趋势的影响，工程塑料的应用领域逐年扩大，“钢塑比”成为衡量一个国家或地区现代工业水平和塑料发展水平的标志。通过将尼龙树脂与导电性优异的碳纤维、导电炭黑、石墨、金属粉末、抗静电剂等材料共混及低成本、高强度玻璃纤维共混，用塑料的加工方法制备而成的功能性高分子材料，既具有金属的导电性又具备尼龙良好的加工性能。与传统塑料相比，导电尼龙材料具备更低的表面电阻，与金属相比，导电尼龙材料具有、耐腐蚀、易于成型等优点，有较强的实用性，常应用于连接器、抗静电材料、电磁屏蔽材料、汽车轻量化等。
但是，现有的导电尼龙材料在节约成本、提高机械强度、耐光老化、易加工等方面还存在改进的空间。
发明内容
为了克服上述技术问题本发明的目的在于提供一种能够更好地替代金属的低成本、机械强度高、耐光老化、易加工的导电尼龙材料及其制备方法。
本发明的一个方面提供一种导电尼龙材料，其由以下质量百分比的组分组成：
尼龙树脂为43-48%，
碳纤维为20-40%，
玻璃纤维为10-30%，
抗氧剂为0.2-0.6%，
光稳定剂为0.4-0.8%，
润滑剂为0.2-1%，
相容剂为1-3%，
油类为0.2-0.5%。
优选所述尼龙树脂是PA6和PA66中的一种或PA6和PA66的混合物。
优选所述碳纤维的直径为7-13微米，所述碳纤维包括质量百分比为1-3%的聚酰亚胺、环氧树脂和不饱和聚酯中的至少一种。
优选所述碳纤维是短切长度为3、4.5或6毫米的短切碳纤维或者长丝碳纤维。
优选所述玻璃纤维的直径为7-14微米，使用硅烷偶联剂KH550或KH560中的一种表面处理。
优选所述玻璃纤维是短切长度为3、4.5毫米的短切玻璃纤维或者长丝玻璃纤维。
优选所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类中的至少一种，其中，所述受阻酚类的抗氧剂为N,N-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺（1098），所述亚磷酸酯类的抗氧剂为双（2.4-二叔丁基苯基）季戊四醇二亚磷酸酯（627A）。
优选所述光稳定剂为苯并三唑类、受阻胺类中的至少一种，其中，所述苯并三唑类的光稳定剂为2-(2'-羟基-3',5'双(a，a-二甲基苄基)苯基)苯并三唑（UV234），所述受阻胺类的光稳定剂为聚[6-[(1,1,3,3-四甲基丁基)氨基]]-1,3,5-三嗪-2,4-[(2,2,6,6,-四甲基-哌啶基]亚氨（UV944）。
优选所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺（EBS）、聚二甲基硅氧烷（硅酮）、硬脂酸锌中的至少一种。
优选所述相容剂为聚烯烃弹性体接枝马来酸酐、苯乙烯马来酸酐共聚物中的至少一种。
优选所述油类为10#、白矿油、500#硅油中的至少一种。
本发明的另一个方面提供一种导电尼龙材料的制备方法，其用于制备上述导电尼龙材料，其包括以下步骤：预混料制备步骤：将尼龙树脂、油类加入混合机中低速混合，之后再加入抗氧剂、光稳定剂、润滑剂、相容剂，低速混合均匀后，得到预混料；成品制备步骤：将所述预混料制备步骤中得到的所述预混料加入料斗并计量喂料后加入到双螺杆挤出机中，之后，将短切碳纤维或玻璃纤维中的一种计量后通过所述双螺杆挤出机的侧喂加料口加入到所述双螺杆挤出机中，将长丝碳纤维或玻璃纤维中的一种在由所述双螺杆挤出机的螺杆转速和喂料量控制加入量后通过所述双螺杆挤出机的自然排气口加入到所述双螺杆挤出机中，从而实现碳纤维与玻璃纤维复合填充，并在控制温度为230-270摄氏度，螺杆转速为每分钟300-500转的条件下，经水冷拉条、干燥、切粒，而得到所述导电尼龙材料，其中，所述的双螺杆挤出机的螺杆长径比为40:1，在进行碳纤维与玻璃纤维复合填充时，当加入到所述双螺杆挤出机中的所述碳纤维为短切碳纤维时，加入的所述玻璃纤维为长丝玻璃纤维，当加入到所述双螺杆挤出机中的所述碳纤维为长丝碳纤维时，加入的所述玻璃纤维为短切玻璃纤维，从而以短切碳纤维与长丝玻璃纤维的组合或长丝碳纤维与短切玻璃纤维的组合来实现碳纤维与玻璃纤维复合填充。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用碳纤维和玻璃纤维制备的导电尼龙增加了导电性及机械强度，与传统的添加导电炭黑、石墨、金属粉末相比，提高了材料的机械强度，并且与加入有机络合系化合物相比，本发明具有导电性能的永久性稳定，不受使用环境影响等优点。
2、本发明通过颗粒状或长丝碳纤维的加入，减少了使用炭黑、金属粉末时对车间生产环境及操作人员的不良影响。
3、本发明所述的可替代金属的导电尼龙材料，拉伸强度可达200Mpa，弯曲强度320mpa，弯曲模量20000mpa，机械性能良好，可替代金属部件，表面电阻率小于10Λ6欧姆，适合制造连接器、抗静电材料、屏蔽材料、汽车轻量化等。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明的一个实施方式的导电尼龙材料由以下质量百分比的组分组成：尼龙树脂为43-48%，碳纤维为20-40%，玻璃纤维为10-30%，抗氧剂为0.2-0.6%，光稳定剂为0.4-0.8%，润滑剂为0.2-1%，相容剂为1-3%，油类为0.2-0.5%。
由以上质量百分比的组分来混合制备的导电尼龙材料，能够增加导电尼龙材料的导电性及机械强度，与传统的添加导电炭黑相比，提高了材料的机械强度，并且，与加入有机络合系化合物相比，具有导电性能的永久性稳定，不受使用环境影响等优点。
此外，尼龙树脂可以是PA6和PA66中的一种或PA6和PA66的混合物。
碳纤维中可以包括质量百分比为1-3%的聚酰亚胺、环氧树脂和不饱和聚酯中的至少一种，碳纤维的直径为7-13微米。此外，碳纤维可以是短切长度为3、4.5或6毫米的短切碳纤维或者长丝碳纤维。通过使用这样的碳纤维，能够使得本发明的导电尼龙材料既具有很好的增强作用又具有很好导电性，可显著降低导电尼龙材料的表面电阻及体积电阻。此外，通过颗粒状或长丝碳纤维的加入，减少了使用炭黑、金属粉末时对车间生产环境及操作人员的不良影响。
玻璃纤维的直径可以为7-14微米，硅烷偶联剂KH550或KH560中的一种表面处理。此外，玻璃纤维可以是短切长度为3或4.5毫米的短切玻璃纤维或者长丝玻璃纤维。通过使用这样的玻璃纤维，能够使得本发明的导电尼龙材料具有很好的增强作用，价格相对较低可在提高材料力学性能的同时，降低成本。
抗氧剂可以为受阻酚类、亚磷酸酯类中的至少一种，例如，受阻酚类的抗氧剂可以为N,N-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺（1098），亚磷酸酯类的抗氧剂为双（2.4-二叔丁基苯基）季戊四醇二亚磷酸酯（627A）。通过使用这样的抗氧剂，能够有效提高本发明的导电尼龙材料的加工过程的稳定性，抵抗黄变和降解。
光稳定剂可以为苯并三唑类、受阻胺类中的至少一种，例如，苯并三唑类的光稳定剂可以为2-(2'-羟基-3',5'双(a，a-二甲基苄基)苯基)苯并三唑（UV234），受阻胺类的光稳定剂可以为聚[6-[(1,1,3,3-四甲基丁基)氨基]]-1,3,5-三嗪-2,4-[(2,2,6,6,-四甲基-哌啶基]亚氨（UV944）。通过使用这样的光稳定剂，能够有效提高本发明的导电尼龙材料的耐光老化能力，可长期用于户外。
润滑剂可以为乙撑双硬脂酰胺（EBS）、聚二甲基硅氧烷（硅酮）、硬脂酸锌中的至少一种。通过使用这样的润滑剂，能够降低本发明的导电尼龙材料的挤出过程中螺杆的扭矩及提高注塑过程塑件的脱模性，从而提高本发明的导电尼龙材料的可加工性。
相容剂可以为聚烯烃弹性体接枝马来酸酐、苯乙烯马来酸酐共聚物中的至少一种。通过使用这样的相容剂，能够提高本发明的导电尼龙材料的塑料基体与玻璃纤维/碳纤维之间的界面强度，从而有效提高本发明的导电尼龙材料的力学性能。
油类可以为10#、白矿油、500#硅油中的至少一种。通过使用这样的油类，能够将粉体助剂与颗粒状塑料基体粘结使本发明的导电尼龙材料在高速混合机或低速混合机中进行初步混合时，不产生或少产生粉尘并提高初步混合时的均匀性。
本发明的导电尼龙材料的具体原料及配比如表1所示。
表1 实施例1～6组分重量份配比表
本发明的一个实施方式的导电尼龙材料制备方法包括预混料制备步骤和成品制备步骤。
预混料制备步骤中，将尼龙树脂、油类加入混合机中低速混合，之后再加入抗氧剂、光稳定剂、润滑剂、相容剂，低速混合均匀后，得到预混料。
成品制备步骤中，将所述预混料制备步骤中得到的所述预混料加入料斗并计量喂料后加入到双螺杆挤出机中，之后，将短切碳纤维或短切玻璃纤维中的一种计量后通过所述双螺杆挤出机的侧喂加料口加入到所述双螺杆挤出机中，将长丝碳纤维或玻璃纤维中的一种在由所述双螺杆挤出机的螺杆转速和喂料量控制加入量后通过所述双螺杆挤出机的自然排气口加入到所述双螺杆挤出机中，从而实现碳纤维与玻璃纤维复合填充，并在控制温度为230-270摄氏度，螺杆转速为每分钟300-500转的条件下，经水冷拉条、干燥、切粒，而得到所述导电尼龙材料，其中，所述的双螺杆挤出机的螺杆长径比为40:1。
另外，在进行碳纤维与玻璃纤维复合填充时，当加入到所述双螺杆挤出机中的所述碳纤维为短切碳纤维时，加入的所述玻璃纤维为长丝玻璃纤维，当加入到所述双螺杆挤出机中的所述碳纤维为长丝碳纤维时，加入的所述玻璃纤维为短切玻璃纤维，从而以短切碳纤维与长丝玻璃纤维的组合或长丝碳纤维与短切玻璃纤维的组合来实现碳纤维与玻璃纤维复合填充。
本发明的一个实施方式的导电尼龙材料检测标准如下：
密度（g/cm3）：ISO1183，拉伸强度(Mpa)：ISO527/2，弯曲模量(Mpa)：ISO178，缺口冲击强度(Kj/M2)：ISO179，表面电阻率(Ω)：IEC60093，评价结果的样板按GB/T17037标准注塑样品。测试结果见表2。
表2 实施例1-6的测试结果
对产品进行检测和比较，结果见表2，发现实施例1-6按照本发明的上述方法制备得到的导电尼龙材料具有优异的力学性能和低的表面电阻率，其中，实施例1-3，随着碳纤维含量的增加力学性能逐渐提高，弯曲模量的提升尤其明显，材料的密度逐渐降低，但因为碳纤维较玻璃纤维脆，表现为缺口冲击强度下降。实施例4-6采用短切碳纤维，更容易分散，性能较长碳纤维有一定提高。相比相同性能的传统钢铁，本发明所制备的导电尼龙材料轻60%，相比相同性能的铝，本发明所制备的导电尼龙材料轻30%。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种导电尼龙材料，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：
尼龙树脂为43-48%，
碳纤维为20-40%，
玻璃纤维为10-30%，
抗氧剂为0.2-0.6%，
光稳定剂为0.4-0.8%，
润滑剂为0.2-1%，
相容剂为1-3%，
油类为0.2-0.5%。
2.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述尼龙树脂是PA6和PA66中的一种或PA6和PA66的混合物。
3.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为7-13微米，所述碳纤维包括质量百分比为1-3%的聚酰亚胺、环氧树脂和不饱和聚酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为7-14微米，使用硅烷偶联剂KH550或KH560中的一种。
5.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类中的至少一种，其中，所述受阻酚类的抗氧剂为N,N’-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺（1098），所述亚磷酸酯类的抗氧剂为双（2.4-二叔丁基苯基）季戊四醇二亚磷酸酯（627A）。
6.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述光稳定剂为苯并三唑类、受阻胺类中的至少一种，其中，所述苯并三唑类的光稳定剂为2-(2'-羟基-3',5'双(a，a-二甲基苄基)苯基)苯并三唑（UV234），所述受阻胺类的光稳定剂为聚[6-[(1,1,3,3-四甲基丁基)氨基]]-1,3,5-三嗪-2,4-[(2,2,6,6,-四甲基-哌啶基]亚氨（UV944）。
7.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺（EBS）、聚二甲基硅氧烷（硅酮）、硬脂酸锌中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述相容剂为聚烯烃弹性体接枝马来酸酐、苯乙烯马来酸酐共聚物中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的导电尼龙材料，其特征在于，所述油类为10#、白矿油、500#硅油中的至少一种。
10.一种导电尼龙材料的制备方法，其用于制备权利要求1-9中任一项所述的导电尼龙材料，其特征在于，包括以下步骤：
预混料制备步骤：将尼龙树脂、油类加入混合机中低速混合，之后再加入抗氧剂、光稳定剂、润滑剂、相容剂，低速混合均匀后，得到预混料；
成品制备步骤：将所述预混料制备步骤中得到的所述预混料加入料斗并计量喂料后加入到双螺杆挤出机中，之后，将短切碳纤维或玻璃纤维中的一种计量后通过所述双螺杆挤出机的侧喂加料口加入到所述双螺杆挤出机中，将长碳纤维或玻璃纤维中的一种在由所述双螺杆挤出机的螺杆转速和喂料量控制加入量后通过所述双螺杆挤出机的自然排气口加入到所述双螺杆挤出机中，从而实现碳纤维与玻璃纤维复合填充，并在控制温度为230-270摄氏度，螺杆转速为每分钟300-500转的条件下，经水冷拉条、干燥、切粒，而得到所述导电尼龙材料，其中，所述的双螺杆挤出机的螺杆长径比为40:1。
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