CN110606978B - 一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒包括：(1)聚丙烯发泡珠粒；以及(2)包覆在聚丙烯发泡珠粒的表面的含石墨烯的水性聚氨酯溶液以形成水性聚氨酯抗静电涂层；聚丙烯发泡珠粒发泡倍率为8～45倍，包覆后的聚丙烯复合发泡珠粒比重为23～130kg/m3，其表面通过超声波对表面清洗脱脂和低温等离子活化处理；水性聚氨酯溶液包括：水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水。本发明的成本优势明显，聚丙烯复合发泡珠粒表面的石墨烯分布更均匀、抗静电效果更佳，并且，制备过程绿色环保。

Description

一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒及其制 备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒及其制备方法和应用。
背景技术
发泡聚丙烯材料EPP具有使用温度较宽、物理性能优良、形状恢复稳定性好、冲击能吸收强、表面保护性和隔音性能优良、颗粒密度和发泡倍率选择范围广、绝热性能良好等优点，广泛应用在各种包装材料、汽车零部件、热绝缘材料等领域。但聚丙烯树脂是高电阻材料，目前工业化普通的EPP存在抗静电性能差的缺点，这限制了它在必须保持远离静电场所的应用，比如作为电子设备、精密设备的部件的包装和缓冲包装材料的用途时，为了防止灰尘的附着、由放电等的过电流的产生而引起电气损伤，材料需要具有抗静电性能。
在聚合物基体中添加导电剂是制备聚合物防静电复合材料的主要方法之一，一般情况，形成导电网络需要的导电剂的添加量都比较大，致使聚合物基体物性改变较大，并提高了材料的生产成本和工艺难度，因此，降低导电剂添加量是开发防静电复合材料的主要开发方向。另外，当聚丙烯珠粒中加入添加量较多的导电剂后，EPP发泡珠粒的泡孔结构及发泡倍率都会受到明显影响，后续的模塑加工成型品的质量往往也难以保证。
石墨烯和聚丙烯作为近几年快速发展的新型碳系导电填料，具有永久抗静电、添加量少、对基体树脂物性和发泡影响较小等优点，但其价格较高，如果添加到聚丙烯发泡的基体树脂中，成本较高。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒及其制备方法和应用，不仅聚丙烯复合发泡珠粒表面的石墨烯分布更均匀、抗静电效果更佳，制备过程绿色环保。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒包括：
(1)聚丙烯发泡珠粒；以及
(2)包覆在聚丙烯发泡珠粒的表面的含石墨烯的水性聚氨酯溶液以形成水性聚氨酯抗静电涂层；
聚丙烯发泡珠粒发泡倍率为8～45倍，包覆后的聚丙烯复合发泡珠粒比重为23～130kg/m3，其表面通过超声波对表面清洗脱脂和低温等离子活化处理；
水性聚氨酯溶液包括：水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中水性聚氨酯溶液为羧基型热塑性水性聚氨酯乳液。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中石墨烯水性浆料的石墨烯的添加量为聚丙烯复合发泡珠粒表面的水性聚氨酯抗静电涂层总量的2.5wt％～10wt％。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中水性抗氧剂为含受阻酚类抗氧剂的分散液；水性抗氧剂量为水性聚氨酯溶液的固体量的0.5％～5％。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中水性抗氧剂为含三乙二醇醚-二(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯的水性抗氧剂分散液。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中交联剂为氮丙啶型交联剂，交联剂的作用是为了提高水性聚氨酯涂层的耐水性，但又需要控制交联程度，使干燥后包覆在聚丙烯复合发泡珠粒表面的水性聚氨酯涂层不失去热粘结能力，交联剂的添加量为水性聚氨酯乳液质量百分数的0.05％～2％。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中水性聚氨酯乳液的固含量为1％～20％。
本发明提供一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，该制备方法采用一喷雾涂布干燥装置，其至少包括：
一上端开口的鼓形的转筒；
一出口通入转筒内部并与转筒外的一热风鼓风设备连接的热风管；
一安装于转筒内用于协助分散聚丙烯发泡珠粒的搅拌器；以及
一出口位于转筒内并通过管道与转筒外的一液罐连接的用于雾化的喷枪；
含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法包括以下步骤：
1)采用超声波清洗工艺，清洗聚丙烯发泡珠粒表面，清洗干净后，50～100℃烘干；
2)采用低温等离子处理工艺对清洗后的聚丙烯发泡珠粒表面进行处理；提高聚丙烯发泡珠粒表面与水性聚氨酯涂层的粘结强度；
3)将水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水搅拌均匀再配合超声分散制备成含石墨烯的水性聚氨酯溶液备用；
4)将聚丙烯发泡珠粒加入到喷雾干燥装置转筒内，启动转动和加热，通热风进行物料的干燥，待聚丙烯发泡珠粒预热到设定的干燥温度80～105℃后，再启动搅拌器辅助分散聚丙烯发泡珠粒，采用喷枪对聚丙烯发泡珠粒表面喷涂步骤3)制备的含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液，聚丙烯发泡珠粒均匀翻滚并分散的过程中，其表面多次间断地被喷涂上含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液的同时持续受热干燥，直到水性聚氨酯溶液完全消耗，停止喷涂，最终在聚丙烯发泡珠粒表面形成均匀的涂层，继续干燥至聚丙烯发泡珠粒的表面涂层水分烘干，即可。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法中步骤1)中超声波清洗工艺采用含有浓度为1～20％的至少一种阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂的水基清洗剂，超声波频率>20KHz,功率密度>0.3W/cm2。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法中步骤2)中低温等离子处理工艺采用的工作气体为氩气、氮气、氧气、氨气、二氧化碳的一种或几种气体的混合气体，气体流量30～900sccm，工作气压为10～300Pa，处理时间为20s～10min，温度为20～130℃，处理功率1500W～12000W。
上述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法中转筒安装于一底座上，其安装倾角为30～45°；其外壁安装有辅助电加热烘干器。
本发明还提供一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的成型体，其表面电阻率为108～1010Ω，其制备方法如下：将含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒加入发泡珠粒成型机的模具中，采用蒸汽加热处理，经冷却、脱模后制得，即可。
本发明的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒采用水性聚氨酯作为发泡珠粒的热粘结胶，与将新型导电碳材料添加到发泡基体树脂中的方法相比，本发明的成本优势明显、聚丙烯复合发泡珠粒表面的石墨烯分布更均匀、抗静电效果更佳，并且，制备过程绿色环保。本发明的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒可应用于电子设备、精密设备的部件的包装和缓冲包装材料。
附图说明
图1是本发明的喷雾涂布干燥装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒包括：
(1)聚丙烯发泡珠粒；以及
(2)包覆在聚丙烯发泡珠粒的表面的含石墨烯的水性聚氨酯溶液以形成水性聚氨酯抗静电涂层；
聚丙烯发泡珠粒发泡倍率为8～45倍，包覆后的聚丙烯复合发泡珠粒比重为23～130kg/m3，其表面通过超声波对表面清洗脱脂和低温等离子活化处理；
水性聚氨酯溶液包括：水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水。
其中，水性聚氨酯溶液为羧基型热塑性水性聚氨酯乳液；
含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒中石墨烯水性浆料的石墨烯的添加量为聚丙烯复合发泡珠粒表面的水性聚氨酯抗静电涂层总量的2.5wt％～10wt％。
水性抗氧剂为含受阻酚类抗氧剂的分散液；优选含三乙二醇醚-二(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯(CAS NO:36443-68-2)的水性抗氧剂分散液，其中水性抗氧剂量为水性聚氨酯溶液的固体量的0.5％～5％；
交联剂为氮丙啶型交联剂，交联剂的作用是为了提高水性聚氨酯涂层的耐水性，但又需要控制交联程度，使干燥后包覆在聚丙烯复合发泡珠粒表面的水性聚氨酯涂层不失去热粘结能力，交联剂的添加量为水性聚氨酯乳液质量百分数的0.05％～2％；
水性聚氨酯乳液的固含量为1％～20％；
本发明的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒制备方法如下：
1)采用超声波清洗工艺，清洗聚丙烯发泡珠粒表面，清洗干净后，50～100℃烘干；
2)采用低温等离子处理工艺对清洗后的聚丙烯发泡珠粒表面进行处理；
3)将水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水搅拌均匀再配合超声分散制备成含石墨烯的水性聚氨酯溶液备用；
4)在喷雾涂布干燥装置的转筒1内放置搅拌器3协助分散聚丙烯复合发泡珠粒，转筒1内物料通热风进行干燥，转筒1外可再加装辅助电加热烘干器，将需要含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯发泡珠粒加入到转筒1中，启动转筒1转动和加热，待聚丙烯发泡珠粒预热到设定的干燥温度(即80～105℃)后，再启动搅拌器3，采用具有雾化效果的喷枪4对转筒内的聚丙烯发泡珠粒表面喷涂步骤3)制备的含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液，使含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液在聚丙烯发泡珠粒上均匀涂布，并使聚丙烯发泡珠粒在转筒1内均匀翻滚并分散，这样聚丙烯发泡珠粒在转筒1内滚动中，聚丙烯发泡珠粒表面多次间断喷涂上含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液的雾滴的同时受热干燥，直到水性聚氨酯溶液完全消耗，停止喷枪4，在聚丙烯复合发泡珠粒表面形成一层均匀涂层，继续干燥至聚丙烯复合发泡珠粒表面涂层水分烘干，即可。
优选的，步骤1)中超声波清洗工艺采用含有浓度为1～20％的至少一种阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂的水基清洗剂，超声波频率>20KHz,功率密度>0.3W/cm2。
优选的，步骤2)中低温等离子处理工艺采用的工作气体为氩气、氮气、氧气、氨气、二氧化碳的一种或几种气体的混合气体，气体流量30～900sccm，工作气压为10～300Pa，处理时间为20s～10min，温度为20～130℃，处理功率1500W～12000W。
优选的，如图1所示，步骤4)中喷雾涂布干燥装置包括：
一上端开口的转筒1，该转筒1安装于一底座11上；
一出口通入转筒1内部并转筒1外的一热风鼓风设备21连接的热风管2；
一安装于转筒1内协助分散聚丙烯发泡珠粒的搅拌器3；以及
一出口位于转筒1内并通过管道与转筒1外的一液罐连接的用于雾化的喷枪4。
优选的，转筒1的安装倾角为30～45°；
优选的，转筒1为鼓型不锈钢转筒；
优选的，转筒1的外壁安装有辅助电加热烘干器；
本发明还提供一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的成型体，其制备方法如下：
将含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒加入发泡珠粒成型机的模具中，采用蒸汽加热处理，经冷却、脱模后制得含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒成型体。通过蒸汽加热的方式使白色聚丙烯复合发泡珠粒表面及其外部的水性聚氨酯涂层软化，使得白色聚丙烯复合发泡珠粒表面与水性聚氨酯涂层之间以及水性聚氨酯涂层之间的界面的分子链彼此扩散，形成更牢固的粘合，并使涂层内的石墨烯被分子链包裹稳定的分布在上述各界面层，包覆在聚丙烯复合发泡珠粒表面的抗静电材料挤压固定在成型体的表面和内部，其表面电阻率为108～1010Ω。
下面将结合实施例1～2，对本发明作进一步说明。
实施例1
采用比重为0.058g/cm3的白色聚丙烯发泡珠粒。
1)首先利用超声波清洗工艺将白色聚丙烯发泡珠粒表面的油脂和污物进行脱除、漂洗、50～100℃烘干，清洗液为含10％表面活性剂6501的水基清洗液，超声波频率25KHz,功率密度0.35W/cm2；
2)再将处理过的白色聚丙烯发泡珠粒表面进行低温等离子处理，工作气体为氮气，工作气压为100Pa，温度为80℃；
3)配制固含量为10％的含石墨烯的羧基型水性聚氨酯喷雾溶液，其包括：
a.薄层石墨烯的添加总量为水性聚氨酯喷雾液固体总量的3.0wt％；
b.选含三乙二醇醚-二(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯(CAS NO:36443-68-2)的水性抗氧剂分散液，其中水性抗氧剂量为水性聚氨酯溶液的固体量的2％；
c.交联剂采用氮丙啶交联剂SAC-100,其添加量为水性聚氨酯乳液质量百分数的0.2％；
4)将上述步骤2)处理过的白色聚丙烯发泡珠粒加入到喷雾涂布干燥装置(见附图1)，热风温度设定为100℃，步骤3)制备的含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液固含量为白色聚丙烯复合发泡珠粒量的12％，制备得到的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒比重约0.065g/cm3；
5)将上述制备的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒放入模具中，采用蒸汽加热处理，经冷却、脱模后制得含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒成型体。
经测试，该含石墨烯永久抗静电涂层聚丙烯复合发泡珠粒成型体的涂层均匀，通过60℃，相对湿度95％，七天的耐水测试，外力擦拭不掉色，表面电阻率7*109Ω。
实施例2
采用比重为0.058g/cm3的白色聚丙烯发泡珠粒。
1)首先利用超声波清洗工艺将白色聚丙烯发泡珠粒表面的油脂和污物进行脱除、漂洗、50～100℃烘干，清洗液为含10％表面活性剂6501的水基清洗液，超声波频率25KHz,功率密度0.35W/cm2；
2)再将处理过的白色聚丙烯发泡珠粒表面进行低温等离子处理，工作气体为氮气，工作气压为100Pa，温度为80℃；
3)配制固含量为10％的含石墨烯的羧基型水性聚氨酯喷雾溶液，其包括：
a.薄层石墨烯的添加总量为水性聚氨酯喷雾液固体总量的10.0wt％；
b.选含三乙二醇醚-二(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯(CAS NO:36443-68-2)的水性抗氧剂分散液，其中水性抗氧剂量为水性聚氨酯溶液的固体量的2％；
c.交联剂采用氮丙啶交联剂SAC-100,其添加量为水性聚氨酯乳液质量百分数的0.2％；
4)将上述步骤2)处理过的白色聚丙烯发泡珠粒加入到喷雾涂布干燥装置(见附图1)，热风温度设定为100℃，步骤3)制备的含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液固含量为白色聚丙烯复合发泡珠粒量的20％，制备得到的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒比重约0.07g/cm3；
5)将上述制备的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒放入模具中，采用蒸汽加热处理，经冷却、脱模后制得含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒成型体。
经测试，该含石墨烯永久抗静电涂层聚丙烯复合发泡珠粒成型体的涂层均匀，通过60℃，相对湿度95％，七天的耐水测试，外力擦拭不掉色，表面电阻率3.9*108Ω。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒包括：
（1）聚丙烯发泡珠粒；以及
（2）包覆在所述聚丙烯发泡珠粒的表面的含石墨烯的水性聚氨酯溶液以形成水性聚氨酯抗静电涂层；
所述聚丙烯发泡珠粒发泡倍率为8～45倍，其表面通过超声波对表面清洗脱脂和低温等离子活化处理，包覆后的聚丙烯复合发泡珠粒比重为23～130kg/m3 ；
所述水性聚氨酯溶液由水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水组成;
所述水性聚氨酯溶液为羧基型热塑性水性聚氨酯乳液；
所述水性抗氧剂为含受阻酚类抗氧剂的分散液；
所述交联剂为氮丙啶型交联剂,且所述交联剂加量为水性聚氨酯乳液质量百分数的0.2%；
所述含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，采用一喷雾涂布干燥装置，其至少包括：
一上端开口的鼓形的转筒；
一出口通入转筒内部并与转筒外的一热风鼓风设备连接的热风管；
一安装于转筒内用于协助分散聚丙烯发泡珠粒的搅拌器；以及
一出口位于转筒内并通过管道与转筒外的一液罐连接的用于雾化的喷枪；
所述含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法包括以下步骤：
1）采用超声波清洗工艺，清洗聚丙烯发泡珠粒表面，清洗干净后，50～100℃烘干；
2）采用低温等离子处理工艺对清洗后的聚丙烯发泡珠粒表面进行处理；提高聚丙烯发泡珠粒表面与水性聚氨酯涂层的粘结强度；
3）将水性聚氨酯、石墨烯水性浆料、水性抗氧剂、交联剂以及去离子水搅拌均匀再配合超声分散制备成含石墨烯的水性聚氨酯溶液备用；
4）将所述聚丙烯发泡珠粒加入到所述喷雾涂布干燥装置转筒内，启动转动和加热，通热风进行物料的干燥，待所述聚丙烯发泡珠粒预热到设定的干燥温度80～105℃后，再启动搅拌器辅助分散所述聚丙烯发泡珠粒，采用喷枪对所述聚丙烯发泡珠粒表面喷涂步骤3）制备的所述含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液，所述聚丙烯发泡珠粒均匀翻滚并分散的过程中表面多次间断地被喷涂上含石墨烯的水性聚氨酯喷雾溶液的同时持续受热干燥，直到水性聚氨酯溶液完全消耗，停止喷涂，最终在聚丙烯发泡珠粒表面形成均匀的涂层，继续干燥至聚丙烯发泡珠粒的表面涂层水分烘干，即可。
2.如权利要求1所述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述含石墨烯水性浆料的石墨烯的添加量为聚丙烯复合发泡珠粒表面的水性聚氨酯抗静电涂层总量的2.5wt%～10wt%；
所述水性抗氧剂量为水性聚氨酯溶液的固体量的0.5%～5%；
所述含石墨烯的水性聚氨酯乳液的固含量为1%～20%。
3.如权利要求1所述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述水性抗氧剂为含三乙二醇醚-二（3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基）丙酸酯的水性抗氧剂分散液。
4.如权利要求1所述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中超声波清洗工艺采用含有浓度为1～20%的至少一种阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂的水基清洗剂，超声波频率>20KHz, 功率密度>0.3W/cm2。
5.如权利要求1所述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中低温等离子处理工艺采用的工作气体为氩气、氮气、氧气、氨气、二氧化碳的一种或几种气体的混合气体，气体流量30～900sccm，工作气压为10～300Pa，处理时间为20s～10min，温度为20～130℃，处理功率1500W～12000W。
6.如权利要求1所述的含石墨烯永久抗静电涂层的聚丙烯复合发泡珠粒的制备方法，其特征在于，所述转筒安装于一底座上，其安装倾角为30～45°；其外壁安装有辅助电加热烘干器。
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