CN111454500A - 3d导电网络结构聚合物抗静电材料及其制备方法、超低分子量聚乙烯的用途 - Google Patents

3d导电网络结构聚合物抗静电材料及其制备方法、超低分子量聚乙烯的用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种3D导电网络结构聚合物抗静电材料，包括如下重量百分比组份：第一高分子材料70~80%、第二高分子材料18~26%、导电填料1~5%；第一高分子材料的熔融体流动速率在12g/10min以下，第二高分子材料的熔融体流动速率在15g/10min以上。其制备步骤如下：（1）导电混合物的制备：（2）抗静电产品连续化熔融成型。本发明方法利用连续化熔融成型方法，利用UHMWPE熔体高粘度特性以及ULMWPE熔体低粘度和小分子级增塑特性，实现了3D导电网络结构的聚合物抗静电产品的连续化生产。该连续化熔融成型方法无需使用任何改性剂或有机溶剂，生产效率高，生产成本低，操作简单，易实现工业化生产。

Description

3D导电网络结构聚合物抗静电材料及其制备方法、超低分子 量聚乙烯的用途
技术领域
本发明涉及聚合物材料抗静电技术领域，特别涉及3D导电网络结构聚合物抗静电材料及其制备方法、超低分子量聚乙烯的用途。通过连续化熔融成型方法制备具有3D导电网络结构的碳系填料/超高分子量聚乙烯(以下简称UHMWPE)/超低分子量聚乙烯(以下简称ULMWPE)抗静电材料的制备方法。
背景技术
两种物体在相互摩擦或迅速接触、分离后，由于二者对电荷的吸引作用差异，材料表面就会发生电子得失，若物体不接地，就会在产生静电荷。这种情况常常出现在我们的日常工作、生活中，如静电出现在一些加工设备或精密仪器上，轻则降低仪器设备性能、缩短使用寿命，重则烧毁核心电子元器件。因此，利用抗静电材料来避免静电危害具有重要意义。导电聚合物复合材料因质轻、易加工和耐腐蚀等特点，在抗静电材料领域具有良好的应用前景，备受各界关注。
在目前研究与实际生产中，多采用导电填料与聚合物基体复合的方式来设计抗静电聚合物材料。在导电填料选择上，碳系填料因其具有高电导率、大长径比、化学性质稳定的优点，近年来被广泛应用于抗静电聚合物材料的制备。但碳系填料在实际应用中存在分散困难和用量高的问题。碳系填料的大比表面积不利于其分散性，且碳系填料表面活性官能团少，对多数溶剂亲和性差，分子间较强的范德华力使其常常以团聚、缠绕的形式分散于聚合物中，大大降低了利用率。因此为保证聚合物材料达到理想的抗静电效果，碳系填料的加入量往往较大，这一方面会造成材料密度和成本增加，另一方面是会使材料力学性能、加工性能劣化。
研究发现，相比碳系填料随机分布的复合形式，在材料内部构建3D导电网络结构可以有效提高填料利用率，使复合材料在低碳系填料含量下仍保持优异的抗静电性能，同时减少了碳系填料的加入对材料力学性能和加工性能的不利影响。然而这种导电网络在熔融加工过程中易被破坏，导电填料在高剪切作用下会向低粘度的聚合物基体内部迁移，因此目前对于具有3D导电网络结构的聚合物抗静电材料多采用模压成型等间歇方法制备。而模压成型方法生产效率低、成本高，且对形状复杂、精密的抗静电产品适应性差，无法实现连续化生产，极大程度限制了3D导电网络结构聚合物抗静电材料的发展和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有良好力学性能及抗静电性能的3D导电网络结构聚合物抗静电材料；还提供一种能实现连续化生产该3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法；再提供一种超低分子量聚乙烯的用途。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种3D导电网络结构聚合物抗静电材料，包括如下重量百分比组份：第一高分子材料70～80％、第二高分子材料18～26％、导电填料1～5％；其中，第一高分子材料的熔融体流动速率在12g/10min以下，第二高分子材料的熔融体流动速率在15g/10min以上。
所述第一高分子材料为超高分子量聚乙烯。
所述第二高分子材料为超低分子量聚乙烯。
所述导电填料为碳系填料。
所述碳系填料为碳纳米管、炭黑、石墨烯或者碳纤维中的一种或几种的混合。
所述第一高分子材料的熔融体流动速率为10g/10min以下。
所述第一高分子材料的熔融体流动速率为8g/10min以下。
所述第一高分子材料的熔融体流动速率为4g/10min以下。
所述第二高分子材料的熔融体流动速率为18g/10min以上。
所述第二高分子材料的熔融体流动速率为20g/10min以上。
所述第二高分子材料的熔融体流动速率为25g/10min以上。
一种所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步，导电混合物的制备：将第一高分子材料与导电填料混合，使导电填料包覆于第一高分子材料的表面，作为导电前驱体；再将导电前驱体与第二高分子材料采用双螺杆挤出机进行连续混合熔融挤出，得到导电混合物；
第2步，将导电混合物通过单螺杆挤出机进行挤出成型，得到所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料。
所述第1步中，双螺杆挤出机温度为140～160℃，螺杆转速为100～300rpm。
所述第2步中，单螺杆挤出机温度为140～160℃，螺杆转速100～300rpm。
超低分子量聚乙烯在用于制备3D导电网络结构聚合物抗静电材料中的用途。
所述制备3D导电网络结构聚合物抗静电材料是采用连续化熔融成型加工。
本发明具有如下有益技术效果：
采用本发明的方法制备3D导电网络结构聚合物抗静电材料，优点主要体现在以下两方面：
1)本发明利用连续化熔融成型方法即可制备具有3D导电网络结构导电网络的抗静电材料，操作简单，生产工艺掌握，相比于常规的模压成型方法生产效率高、成本低，易工业化生产；
2)本发明制备过程中无需添加任何改性剂或有机溶剂，仅利用两种聚乙烯间熔体粘度差异和相容性即可使3D导电网络结构聚合物抗静电材料在碳系填料含量较低的情况下形成3D导电网络结构导电网络，获得优异的抗静电性能和力学性能。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种3D导电网络结构聚合物抗静电材料的连续化熔融成型制备方法，并使之具有制备工艺简单，无需使用任何改性剂和有机溶剂、生产效率高、成本低，容易实现大批量生产的优点，使生产的抗静电材料在低碳系填料含量具有优异的抗静电性能。
本发明提供的3D导电网络结构聚合物抗静电材料，主要原料按如下重量百分比构成：第一高分子材料70～80％、第二高分子材料18～26％、导电填料1～5％；所述第一高分子材料的熔融体流动速率在12g/10min以下，第二高分子材料的熔融体流动速率在15g/10min以上。
上述的原料配比是为了实现本发明的目的而进行设计的，由于本发明需要提供一种连续化熔融成型制备抗静电聚合物材料的方法，本发明利用第一、第二高分子材料熔体粘度差异来实现3D导电网络的构建，熔体流动速率的差异的优点就是为了让导电填料实现可控的分布。第一高分子材料较低的熔体流动速率为导电网络结构提供骨架支撑，第二高分子材料较高的熔体流动速率有助于改善加工性能。本发明采用的第一高分子材料具有高粘度的特性，它可以保证导电材料均匀的赋在于其表面之上，作为导电前驱体，为后续3D导电网络结构的构建提供支撑；同时本发明采用了第二高分子材料，其具有较低粘度的特性，采用这样设计的目的一方面可以是第二高分子材料与导电前驱体之间形成导电填料的3D导电网络结构，另一方面，由于其具有较低的粘度，在挤出机的操作过程中，良好的流动性(加工性)，可以有效的实现了连续化加工。
在一个实施方式中，所述的第一高分子材料的熔融体流动速率在12g/10min以下，第二高分子材料的熔融体流动速率在15g/10min以上。
在一个实施方式中，第一高分子材料的熔融体流动速率优选10g/10min以下、更优选8g/10min以下、再优选4g/10min以下。
在一个实施方式中，第二高分子材料的熔融体流动速率在优选18g/10min以上、更优选20g/10min以上、再优选25g/10min以上。
第一、第二高分子材料熔体流动速率差异越大，3D导电网络结构也会更加完善(减少了导电填料向高分子基体的扩散)，即可以通过控制第一、第二高分子材料熔体流动速率差异，能够实现在降低导电填料含量的情况下提高导电填料的有效含量，从而使3D导电网络结构聚合物抗静电材料具有优异的电性能、电磁屏蔽性能。同时，导电填料含量降低，能够提高3D导电网络结构聚合物抗静电材料的力学性能。
以上的熔体流动速率可以按照GB/T 3682-2000测定。
在一个实施方式中，所述的第一高分子材料选自超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。
在一个实施方式中，所述的第二高分子材料选自超低分子量聚乙烯(ULMWPE)。
在一个实施方式中，所述的导电填料选自碳系填料，所述的碳系填料选自碳纳米管、炭黑、石墨烯中的一种或几种的混合。
以上3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法如下：
第1步，导电混合物的制备：将第一高分子材料与导电填料混合，使导电填料包覆于第一高分子材料的表面，作为导电前驱体；再将导电前驱体与第二高分子材料采用双螺杆挤出机进行连续混合熔融挤出，得到导电混合物；
第2步，将导电混合物再通过单螺杆挤出机进行挤出成型，得到聚合物抗静电材料。
在一个实施方式中，第1步中双螺杆挤出机温度140～160℃、螺杆转速100～300rpm，双螺杆挤出机在前述螺杆转速与温度的条件下，利于3D导电网络结构聚合物抗静电材料的抗静电性能的提升。
在一个实施方式中，第2步中单螺杆挤出机温度140～160℃、螺杆转速100～300rpm，单螺杆挤出机在前述螺杆转速与温度的条件下，利于3D导电网络结构聚合物抗静电材料的抗静电性能的提升。
后文以第一高分子材料选择高分子量聚乙烯(UHMWPE)、第二高分子材料选择超低分子量聚乙烯(ULMWPE)为例，对本发明进一步说明。
实施例1-29
3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法如下：
①导电混合物的制备：将UHMWPE和碳系填料按一定重量比例计量(具体配方见表1)通过机械力作用混合，获得UHMWPE表面均匀包覆碳系填料的导电前驱体；将制得的导电前驱体和ULMWPE按一定重量比例计量(具体配方见表1)加入双螺杆挤出机中，在一定的温度和螺杆转速(具体温度和螺杆转速见表1)下熔融混合，制备碳系填料/UHMWPE/ULMWPE导电混合物；
②抗静电产品连续化熔融成型：将步骤①中制备的导电混合物在合适的温度和螺杆转速(具体温度和螺杆转速见表1)下通过单螺杆挤出成型，得到3D导电网络结构的抗静电产品。
本发明的3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法，通过连续化熔融成型的方法，利用UHMWPE熔体高粘度特性限制碳系填料在连续化挤出剪切作用下的扩散，利用ULMWPE熔体低粘度和小分子级增塑作用实现体系良好的流动性(加工性)，在无需使用任何改性剂和有机溶剂的条件下，即可使碳系填料选择性分布在ULMWPE相，随后碳系填料/ULMWPE相分布于UHMWPE微区的界面，形成典型的3D导电网络结构导电网络，实现3D导电网络结构聚乙烯抗静电材料的连续化生产。该成型制备方法具有环保(无需使用任何改性剂和有机溶剂)、易操作、可连续化高效生产、生产成本低、的优点。
对比例
对比例中不添加碳系填料，其配方见表1，工艺步骤与实施例一致。
本发明中涉及到的3D导电网络结构聚合物抗静电材料的性能受原料配方的影响，其中影响因素还包括碳系填料含量、UHMWPE含量、ULMWPE含量、双螺杆温度/转速和单螺杆温度/转速。碳系填料为3D导电网络结构聚合物抗静电材料提供足够的电导率，在具体实施过程中，3D导电网络结构聚合物抗静电材料的抗静电水平随碳系填料含量的增加而提升，具体表现为电导率的提升。UHMWPE和ULMWPE在3D导电网络结构聚合物抗静电材料中充当聚合物基体，UHMWPE高粘度的特性可以有效限制碳系填料向绝缘聚合物内部的扩散，使更多导电粒子相互搭接构成导电通路，因此UHMWPE与ULMWPE的用量比越大(UHMWPE含量越高)，3D导电网络结构聚合物抗静电材料的电导率越高，但需要说明的是，ULMWPE含量不可过低，否则过大的物料粘度将使3D导电网络结构聚合物抗静电材料难以采用双螺杆挤出加工，通过实验，UHMWPE、ULMWPE的用量分别采用本发明所述重量百分比较佳。步骤①采用双螺杆挤出，目的是得到具有3D导电网络结构的导电混合物，3D导电网络结构聚合物抗静电材料内部的导电网络会受双螺杆转速与温度的影响，高转速下3D导电网络结构聚合物抗静电材料会承受较高的剪切作用，此时碳系填料会倾向于随机分布于聚合物基体中，进而影响3D导电网络的完整性，因此过高的转速不利于抗静电性能的提升(需要注意转速也不可过低，需要足够的转速来保证填料良好分散，减少填料团聚体的存在)；双螺杆挤出温度升高会降低聚合物基体的粘度，UHMWPE对填料的限制作用就会相应地下降，因此过高的加工温度不利于抗静电性能的提升(需要注意加工温度也不可过低，需要相对低的物料粘度来保证挤出过程的顺利进行)。步骤②采用单螺杆挤出成型，目的是获得最终的3D导电网络结构聚合物抗静电材料产品，该步骤中螺杆转速与温度同样会影响最终制品的性能，其作用机理与步骤①中的相同。
表1实施例1～29和对比例的配方和压制成型温度
Figure BDA0002449069790000071
Figure BDA0002449069790000081
可见，本发明3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法，以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与超低分子量聚乙烯(ULMWPE)为基体，碳系填料为导电粒子。UHMWPE表面均匀包覆碳系填料能保证在较低含量碳系填料的情况下3D导电网络结构聚合物抗静电材料具有优异的电性能、电磁屏蔽性能及力学性能；在螺杆熔融剪切混合过程中利用UHMWPE熔体高粘度特性限制碳系填料在连续化挤出剪切作用下的扩散，利用ULMWPE熔体低粘度和小分子级增塑作用实现体系良好的流动性(加工性)，通过连续化熔融成型方法实现聚合物抗静电材料中3D导电网络结构导电网络的搭建，生产过程中无需使用任何改性剂和有机溶剂辅助碳系填料的分散，并且相比间歇式模压成型方法具有制备工艺简单，生产效率高、成本低，对复杂形状产品适应性强等优点，容易实现大批量生产。并且本发加入ULMWPE并合理控制ULMWPE的用量，利用了ULMWPE与UHMWPE良好的相容性，既能实现对UHMWPE进行加工流变改性、辅助成型，为后续连续化熔融成型加工奠定了基础(同时由于低粘度ULMWPE的加入，使混合物料粘度下降，为采用单、双螺杆挤出创造了条件)，又能实现3D导电网络结构聚合物抗静电材料力学性能的优化及抗静电性能的提升，也就是说，合理用量的ULMWPE对UHMWPE进行加工流变改性、适当温度和螺杆转速下双螺杆挤出机混合得到导电混合物、适当温度和螺杆转速下单螺杆挤出成型等步骤彼此配合，使得能够实现连续化熔融成型3D导电网络结构聚合物抗静电材料，同时能优化3D导电网络结构聚合物抗静电材料力学性能及提升抗静电性能。相对于其他第二高分子材料，本发明中ULMWPE与UHMWPE配合能保证3D导电网络结构聚合物抗静电材料仍具有更高的力学强度。
本发明制备3D导电网络结构抗静电材料时碳系填料在成型过程中分布在聚合物粒子界面而不迁移进基体，在低熔体黏度的聚合物中成型得到3D导电网络结构聚合物抗静电材料；同时能避免成型过程中剪切作用破坏导电网络，效率更高地连续化熔融成型。

Claims (15)

1. 一种3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，包括如下重量百分比组份：第一高分子材料70 ~ 80%、第二高分子材料18 ~ 26%、导电填料1 ~5%；其中，第一高分子材料的熔融体流动速率在12g/10min以下，第二高分子材料的熔融体流动速率在15g/10min以上。
2.根据权利要求1所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述第一高分子材料为超高分子量聚乙烯。
3.根据权利要求1所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述第二高分子材料为超低分子量聚乙烯。
4.根据权利要求1所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述导电填料为碳系填料。
5.根据权利要求4所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述碳系填料为碳纳米管、炭黑、石墨烯或者碳纤维中的一种或几种的混合。
6.根据权利要求1所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述第一高分子材料的熔融体流动速率为10g/10min以下。
7.根据权利要求6所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述第一高分子材料的熔融体流动速率为8g/10min以下。
8.根据权利要求7所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，所述第一高分子材料的熔融体流动速率为4g/10min以下。
9.根据权利要求1所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，第二高分子材料的熔融体流动速率为18g/10min以上。
10.根据权利要求9所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，第二高分子材料的熔融体流动速率为20g/10min以上。
11.根据权利要求10所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料，其特征在于，第二高分子材料的熔融体流动速率为25g/10min以上。
12.一种权利要求1-11任一项所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，导电混合物的制备：将第一高分子材料与导电填料混合，使导电填料包覆于第一高分子材料的表面，作为导电前驱体；再将导电前驱体与第二高分子材料采用双螺杆挤出机进行连续混合熔融挤出，得到导电混合物；
第2步，将导电混合物通过单螺杆挤出机进行挤出成型，得到所述3D导电网络结构聚合物抗静电材料。
13.根据权利要求12所述制备方法，其特征在于，所述第1步中，双螺杆挤出机温度为140 ~ 160 ℃，螺杆转速为100 ~ 300 rpm。
14.根据权利要求12所述制备方法，其特征在于，所述第2步中，单螺杆挤出机温度为140 ~ 160 ℃，螺杆转速100 ~ 300 rpm。
15.超低分子量聚乙烯在用于制备3D导电网络结构聚合物抗静电材料中的用途。
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