CN112940495A - 具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法与应用，该材料以质量份数计，其原料组分组成为：尼龙50‑70份、电介质填料5‑30份、电介质溶剂1‑10份、聚烯烃树脂5‑30份、大分子相容剂5‑10份。本发明通过以尼龙，聚烯烃以及相容剂的共混物为基体并加入二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝等电介质填料和碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等电介质溶剂制备了一种吸水率低、电阻率稳定性较高的高电介质尼龙复合材料，可用于打印机感光鼓的阻挡层材料。

Description

具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法与 应用
技术领域
本发明属于功能性复合材料领域，具体涉及一种具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
感光鼓作为激光打印机的核心部件，其结构和性能直接影响打印机的功能。早期的感光鼓仅由电荷传输层、电荷发生层和铝基材组成。在充电完成后，感光鼓表面的电荷暗衰较快，常常会导致感光鼓表面的静电潜像难以维持。后来为了提高打印质量，增加了电荷阻挡层，电荷阻挡层材料其本质属于高介电常数的电介质材料，其主要作用是提高感光鼓表面的介电常数并在完成充电后储存电荷防止泄露。由于介电常数上升，鼓表面的电位持久性随之提高，并且充电时从铝基体上感应出来的电荷也能被有效地阻挡，防止进入光导层。
电介质材料是指电阻率大于1010Ω·cm、介电常数大的绝缘材料，当电介质材料处于外加电场中时，其内部的电荷在电场作用下的重新排布使其在宏观上表现出极化现象。目前用于感光鼓电荷阻挡层的电介质材料通常为尼龙。
尼龙是一种重要的热塑性高分子材料，其力学性能、抗化学腐蚀性能、耐磨性能和电绝缘性能优良，在机械、汽车、电子电器和打印耗材领域应用广泛。尼龙6(PA6)和尼龙 66(PA66)是其中用量最大的种类。尼龙是典型的绝缘材料，但单纯的尼龙介电常数通常不大，提高尼龙的介电常数是尼龙材料功能化的一种重要手段。
填充改性是改善和提高聚合物材料性能最为常用的方法，目前用于提高聚合物材料介电常数的填料大多数是碳系填料，如石墨、石墨烯等，但碳系填料的加入，常常会造成材料的电阻性能下降，从而限制其在打印耗材、电子电器等领域的应用。
另一方面，由于尼龙中的酰胺基团吸水能力较强，这使得高温潮湿环境中尼龙的性能包括电阻率、介电常数等不稳定，特别是作为打印机感光鼓的电荷阻挡层时，水含量上升会导致材料内部出现较多自由载流子，从而大幅降低尼龙电介质复合材料的电荷储存能力，严重影响打印质量。
现有技术(代秀娟，CNT/GNs/PVDF电介质复合材料制备及性能研究，硕士学位论文， 2018年)以聚偏氟乙烯(PVDF)柔性聚合物为基体，以碳纳米管(CNT)和石墨烯(GNs)等无机填料，采用溶液法制备复合物研究其介电性能。对复合材料采用扫描电镜(SEM)、X-衍射仪(XRD)等表征分析，研究不同体积分数对复合材料介电性能的影响规律，以求获得高介电性能CNT/GNs/PVDF复合材料。将碳纳米管和石墨烯分别与聚偏氟乙烯复合研究其介电性能，发现在室温、10～0Hz和GNs体积分数为1.50vol％时，介电常数达27.00；在室温、 10～0Hz和CNT体积分数为2.00vol％时的介电常数为53.00，整体介电损耗小于0.35。虽然该研究工作得到的聚偏氟乙烯具有较高的介电常数和较低的介电损耗，但由于加入碳纳米管和石墨烯等碳系填料，材料的导电性能随之增加，导电性的增大易造成感光鼓在完成充电后储存电荷的泄露，这样同样会导致感光鼓表面的静电潜像难以维持。
中国发明专利申请2016102484501公开了一种石墨烯基高强度导电布，包括基材和导电胶层，基材的两面涂覆导电胶层，导电胶层由以下组份按质量百分比组成：石墨烯粉0.5-3％；炭纳米管1-5％；导电炭黑5-10％；黏合剂20-25％；水57-67.5％。石墨烯粉的微片直径不大于10μm；基材为尼龙织物，厚度为0.10-1.00mm，单位质量为60-700g/m2。高强度导电布的拉断力大于140N/㎝。本发明采用了石墨烯粉、炭纳米管及炭黑共同作为导电介质制备导电胶，经涂覆制备得到石墨烯基高强度导电布，体积电阻率在1×103Ω·cm 以下，表面电阻在60Ω以下，拉断力大于140N/㎝。但是该技术是为了得到一种导电布，对导电性有很高的要求，而本发明思路完全不同，是要求材料具有高电阻稳定性。现有技术中尚未检索到与本发明相似的技术方案。
发明内容
针对尼龙电介质材料的高性能化，本发明提供一种吸水率低于1％、电阻率变化值小于 1Ω·cm、高频106Hz频率下介电常数大于5的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料及其制备方法。
本发明另一目的在于提供具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料在打印机感光鼓的阻挡层的应用。
本发明得到的高介电常数及电阻湿热稳定性的尼龙电介质复合材料可用于高品质感光鼓用电荷阻挡层材料，从而保证鼓表面的电位具有较好的持久性，并且感光鼓在充电时从铝基体上感应出来的电荷能被有效地阻挡。本发明通过以尼龙，聚烯烃以及相容剂的共混物为基体并加入二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝等电介质填料和碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等电介质溶剂制备了一种吸水率低、电阻率稳定性较高的高电介质尼龙复合材料，可用于打印机感光鼓的阻挡层材料。
本发明目的通过如下技术方案实现：
具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料：以质量份数计，其原料组分组成为：
Figure RE-GDA0003026358330000031
所述的大分子相容剂为乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐(POE-g-MAH)、乙烯-醋酸乙烯共聚物接枝马来酸酐(EVA-g-MAH)、高密度聚乙烯接枝马来酸酐(HDPE-g-MAH)中的一种。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的电介质溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的一种。
优选地，所述的聚烯烃树脂为高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)中的一种。
优选地，所述的尼龙为尼龙6、尼龙66或尼龙1010中的一种。
优选地，所述的电介质填料为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝中的一种。
优选地，所述的尼龙电介质复合材料的吸水率低于1％、电阻率变化值小于1Ω·cm、高频106Hz频率下介电常数大于5。
所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)用高速共混机将尼龙，聚烯烃树脂，相容剂、填料和溶剂充分预混；
2)将混好的原料加入到双螺杆挤出机中，经过熔融共混，挤出，冷却，切粒得到低吸水率的尼龙电介质复合材料。
优选地，步骤(1)中，所述的预混的时间为5-20min，温度为常温。
优选地，所述的双螺杆挤出机螺杆转速为80-120rpm，加工温度为215℃-260℃。
所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料在打印机感光鼓的阻挡层的应用。
本发明通过以尼龙，聚烯烃以及相容剂的共混物为基体并加入二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝等电介质填料和碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等电介质溶剂制备了一种吸水率低、电阻率稳定性较高的高电介质尼龙复合材料，可用于打印机感光鼓的阻挡层材料。
本发明的有益效果如下：
1)纳米电介质填料在电场的作用下离子之间会产生相互作用，内部能形成极强的局部电场，同时受到内外电场影响的离子外层电子轨道会产生剧烈的变形，而离子本身也会发生了很大的位移，结合本身具有高介电常数的电介质溶剂的共同作用，可有效提高尼龙复合材料高频率条件下的介电常数，且介电损耗较低；
2)聚烯烃是典型的非极性聚合物，它的加入可明显降低尼龙复合材料的吸水率，在相容剂的作用，尼龙和聚烯烃的相容性得到改善，多相聚合物体系的相畴稳定性得到改善，从而提高了复合材料在高温高湿环境中的电阻率稳定性；
3)与其它电介质材料相比，本发明的尼龙复合材料具有高频下介电常数高、电阻湿热稳定性优、电绝缘性能好的特点，可用做激光打印机的感光鼓电荷阻挡层材料。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例中有关测试方法如下：
吸水率的测试方法：将试样放在45℃的烘箱中干燥12小时，取出后冷却称重m1，质量精确到0.1mg，然后放入80℃的水浴箱中水浴5h，取出试样擦干表面水分后称重m2，吸水率(％)＝(m2-m1)/m1×100％。
电阻率变化值的测试方法：将试样放在45℃的烘箱中干燥12小时，取出后冷却测定室温电阻率ρ1，然后放入80℃的水浴箱中水浴5h，取出试样擦干表面水分后测定电阻率ρ2，将ρ1和ρ2分别转换成对数电阻率lgρ1和lgρ2，电阻率变化值(Ω·cm)＝lgρ1-lgρ2。
介电常数测试方法：按国际标准ASTM D150进行测试，采用30mm×30mm×1.5mm 的方形薄片作为试样，将宽屏介电谱仪开机预热30min后，以两块直径为20mm厚度为2mm 的铜圆片作为电极板夹住样品。在室温下测试，测试频率范围为130Hz到10MHz。
实施例1
一种具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，以重量份数计，其原料组分为：
Figure RE-GDA0003026358330000041
将上述的尼龙6、二氧化钛放在80℃烘箱中干燥5小时，将干燥好的原料放在高速共混机中与其它原料一起在室温下共混6min，将共混好的原料加入双螺杆挤出机中，控制螺杆转速100rmp，加工温度为215℃-255℃，经过熔融挤出、冷却切粒后制得尼龙6复合材料。
经测试，本实施例所得电介质复合材料的吸水率0.83％，106Hz频率下介电常数7.4，电阻率变化值0.42Ω·cm。
实施例2
一种具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，以重量份数计，其原料组分为：
Figure RE-GDA0003026358330000051
将上述的尼龙6、二氧化硅放在80℃烘箱中干燥5小时，将干燥好的原料放在高速共混机中共混10min，将共混好的原料加入双螺杆挤出机中，控制螺杆转速，00rmp，加工温度为225℃-255℃，经过熔融挤出、冷却切粒后制得尼龙6复合材料。该电介质复合材料的吸水率0.76％，106Hz频率下介电常数7.7，电阻率变化值0.41Ω·cm。
实施例3
一种具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，以重量份数计，其原料组分为：
Figure RE-GDA0003026358330000052
将上述的尼龙66、二氧化钛放在80℃烘箱中干燥5小时，将干燥好的原料放在高速共混机中共混8min，将共混好的原料加入双螺杆挤出机中，控制螺杆转速90rmp，加工温度为215℃-250℃，经过熔融挤出、冷却切粒后制得尼龙66复合材料。该电介质复合材料的吸水率0.74％，106Hz频率下介电常数7.6，电阻率变化值0.44Ω·cm。
实施例4
一种具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，以重量份数计，其原料组分为：
Figure RE-GDA0003026358330000053
Figure RE-GDA0003026358330000061
将上述的尼龙66、三氧化二铝放在80℃烘箱中干燥5小时，将干燥好的原料放在高速共混机中共混20min，将共混好的原料加入双螺杆挤出机中，控制螺杆转速90rmp，加工温度为215℃-250℃，经过熔融挤出、冷却切粒后制得尼龙66复合材料。该电介质复合材料的吸水率0.78％，106Hz频率下介电常数7.5，电阻率变化值0.47Ω·cm。
感光鼓阻挡层材料的主要作用是保持感光鼓表面的电荷不流失，在完成充电后储存电荷防止泄露。本发明得到的高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，具有吸水率低、电阻稳定性好、高频下介电常数高的特点，可满足感光鼓用阻挡层材料在湿热条件下的电阻稳定性，且材料的介电常数在高频条件下维持较高的水平，感光鼓表面的电位持久性得以保持，并且充电时从铝基体上感应出来的电荷也能被有效地阻挡，防止进入光导层。
需要说明的是，本发明不受上述实施例约束，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替代方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，以质量份数计，其原料组分组成为：
Figure FDA0002879446800000011
所述的大分子相容剂为乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐、乙烯-醋酸乙烯共聚物接枝马来酸酐和高密度聚乙烯接枝马来酸酐中的一种。
2.根据权利要求1所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，所述的电介质溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的一种。
3.根据权利要求1所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，所述的聚烯烃树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和聚丙烯中的一种。
4.根据权利要求1所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，所述的尼龙为尼龙6、尼龙66或尼龙1010中的一种。
5.根据权利要求1所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，所述的电介质填料为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝中的一种。
6.根据权利要求1所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料，其特征在于，所述的尼龙电介质复合材料的吸水率低于1％、电阻率变化值小于1Ω·cm、高频106Hz频率下介电常数大于5。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)用高速共混机将尼龙，聚烯烃树脂，相容剂、填料和溶剂充分预混；
2)将混好的原料加入到双螺杆挤出机中，经过熔融共混，挤出，冷却，切粒得到低吸水率的尼龙电介质复合材料。
8.根据权利要求7所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的预混的时间为5-20min，温度为常温。
9.根据权利要求7所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机螺杆转速为80-120rpm，加工温度为215℃-260℃。
10.根据权利要求1-6任一项所述的具有高电阻稳定性的尼龙电介质复合材料在打印机感光鼓的阻挡层的应用。
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