CN115466502A - 一种石墨烯导电鞋垫材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯导电鞋垫材料及其制备方法，由以下物质按重量份组成：热塑性聚氨酯弹性体30‑38份，EVA20‑24份，石墨烯粉2‑5份，硅烷偶联剂2‑4份，表面活性剂5‑8份，填充剂9‑12份，交联剂5‑8份，发泡剂3‑5份，催化剂0.2‑2份。本发明制备的导电鞋垫制备工艺简单，导电性能良好，同时具备一定的抗菌效果。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种石墨烯导电鞋垫材料及其制备方法。
背景技术
鞋垫是人们日常出行不可或缺的附加品，其在鞋内底部充当减缓压力的作用，可以改善脚底因长时间站立、行走和运动而产生的不适感。这是鞋垫自诞生以来便具备的常规功能，而现在的鞋垫不仅仅只发挥简单的常规作用，像具备保健功能的保健鞋垫，除臭抗菌鞋垫，防水鞋垫，增高鞋垫等等。
不同场景下所需鞋垫具备的功能有所不同，比如经常在易产生静电的环境中工作的工人，他们就需要具备能及时帮助排除身上所产生的电荷的功能鞋垫，及时排走这些电荷，是对他们身体健康的强有力保障。而现在的具备导电功能的鞋垫往往存在导电性能不佳的缺点，不利于工人长时间使用，因此，发明一种导电性能优良的鞋垫显得尤为重要。申请号CN110537755A的专利提供了一种内置导电介质的除静电鞋垫，包括正面和反面，鞋垫的正面与反面均缝制有柔软吸汗布料，布料中添加了导电介质条，使静电倒入到人体外，避免静电在人体内堆积，导电介质条主要采用导电橡胶，导电硅胶及导电碳纤维等柔性的导电材料，避免由于鞋子导电而造成误触电的安全事故。但其存在工艺复杂，导电效果不佳且不具备一定的除菌性能。
本发明中的石墨烯导电材料不仅具有导电性能优良的性质，同时还具有一定的抗菌性。
发明内容
本申请通过提供一种石墨烯导电鞋垫材料及其制备方法，解决现有技术中导电功能鞋垫存在导电性能不佳的问题，同时还具备一定的抗菌性。
本申请提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，由以下物质按重量份组成：热塑性聚氨酯弹性体30-38份，EVA20-24份，石墨烯粉2-5份，硅烷偶联剂2-4份，表面活性剂5-8份，填充剂9-12份，交联剂5-8份，发泡剂3-5份，催化剂0.2-2份。
在一种优选的实施方式中，所述的热塑性聚氨酯弹性体包括聚酯型、聚醚型中的至少一种。
进一步优选的，所述的热塑性聚氨酯弹性体为聚醚热塑性聚氨酯弹性体990R，CAS号为1211-14-9，购买自广东翁江化学试剂有限公司。
在一种优选的实施方式中，所述的EVA中乙酸乙烯含量为5％-15wt％。
进一步优选的，所述的EVA中乙酸乙烯含量为10wt％，购买自凌源贝卞森生物科技有限公司。
聚醚型热塑性聚氨酯弹性体中含有大量的醚键、羟基等基团，因为醚键的内聚能比较低，并且易于旋转，EVA分子链中引入了乙酸乙烯单体，降低了材料本身的结晶度，提高了两者之间的相溶性，因此由它们作为基材制备的鞋垫材料柔顺性好，具有较高的回弹性，柔韧性和抗冲击性。
在一种优选的实施方式中，所述的石墨烯粉为单层结构或/和多层结构。
进一步优选的，所述的石墨烯粉为单层结构，购买自浙江亚美纳米科技有限公司。
石墨烯的结构为稳定的平面六边形结构，当施加外部机械力时，碳原子面会随之变形，从而达到结构稳定，其中每个碳原子均为sp2杂化，并且贡献剩余一个p轨道上的电子，从而形成π键，π电子可以自由的移动，因此赋予了石墨烯非常好的导电性。
在一种优选的实施方式中，所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，购买自曲阜晨光化工有限公司。
硅烷偶联剂中的活性官能团，如氧基、乙烯基、环氧基等等，可以促使共聚物之间产生连接作用，并提高连接强度，使得共聚物更加的柔顺。
在一种优选的实施方式中，所述的表面活性剂为聚乙烯醇、聚氧化乙烯中的至少一种。
进一步优选的，所述的表面活性剂中聚乙烯醇和聚氧化乙烯两者的重量比值为1-2:1。
进一步优选的，所述的表面活性剂中聚乙烯醇和聚氧化乙烯两者的重量比值为2:1。
进一步优选的，所述的聚乙烯醇醇解度为70％-80％，所述聚乙烯醇的CAS号为9002-89-5，购买自天津希恩思生化科技有限公司，所述聚氧化乙烯分子量为40000-60000。
更优选的，所述的聚氧化乙烯分子量为50000，所述聚氧化乙烯的CAS号为68441-17-8，购买自北京华威锐科化工有限公司。
表面活性剂聚乙烯醇和聚氧化乙烯的存在，提供了大量具有亲水、亲油的结构，从而大大降低了界面张力并且增加了体系的粘度，两者协同作用下，会与体系中的石墨烯片层结构形成较强的相互作用，互相络合，克服了石墨烯本身之间的π键相互作用，将石墨烯稳定的分散在体系中，并且，两者还充当桥梁的作用将石墨烯与载体很好的结合起来，这极大提高了石墨烯在体系中分散均匀性，大大提高了最终材料的导电性能。
在一种优选的实施方式中，所述的填充剂为炭黑、碳酸钙、壳聚糖、硅藻土中的至少一种。
进一步优选的，所述的填充剂中炭黑、壳聚糖与硅藻土三者的重量份比值为2:1:1。
进一步优选的，所述的壳聚糖的脱乙酰度为75％-85％，壳聚糖的CAS号为9012-76-4，购买自化夏化学北京公司。
进一步优选的，所述炭黑的平均粒径为80-100nm，购买自天津希恩思生化科技有限公司。所述硅藻土购买自北京大田丰拓化学技术有限公司。
选择平均粒径为80-100nm的炭黑加入到体系中，其提供了大量的羟基、羧基等基团，同时，加入的壳聚糖也带有大量的羟基，硅藻土呈现出多孔结构，三者在体系中协同作用下，不仅可以使得体系更加稳定，还有利于使得内部孔泡致密均匀，分散材料的同时极大的提高了材料的回弹性，并且，壳聚糖和硅藻土的吸附作用，使得制备的材料具有较好的抑菌能力和吸水能力，炭黑也进一步提高了导电性。
在一种优选的实施方式中，所述的交联剂为2-异丙基咪唑、四气邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、三亚乙基四胺、二甲胺基丙胺、二乙胺基丙胺中的至少一种。
进一步优选的，所述的交联剂中2-异丙基咪唑与三亚乙基四胺两者的重量比值为1:1。
进一步优选的，所述的2-异丙基咪唑的CAS号为36947-68-9，购买自上海将来实业股份有限公司，所述的三亚乙基四胺的CAS号为112-24-3，购买自广东名图化工有限公司。
2-异丙基咪唑和三亚乙基四胺在体系中提供了大量的活性基团，在体系分子之间起到了很好的桥梁作用，使多个线型分子相关交联成网状结构，提高材料的强度和耐磨性。
在一种优选的实施方式中，所述的发泡剂为二苯磺酰肼醚、硬脂酸、碳酸氢钠中的至少一种。
进一步优选的，所述的发泡剂中硬脂酸和碳酸氢钠的重量份比值为1:1。所述硬脂酸购买自武汉梦奇科技有限公司；所述碳酸氢钠购买自永华化学股份有限公司。
硬脂酸和碳酸氢钠的加入，使得材料在加工过程中避免焦化，稳定体系的同时，在体系中会产生大量气体，从而在聚合物组成中形成细孔状，起到发泡的作用，提高弹性。
在一种优选的实施方式中，所述的催化剂为四甲基乙二胺、四甲基丙二胺、四甲基己二胺中的至少一种。
进一步优选的，所述的催化剂为四甲基丙二胺，购买自上海麦克林生化科技有限公司。
四甲基丙二胺的加入有效提高了体系的反应速度，改善表面固化和粘结性。
本申请提供了一种石墨烯导电鞋垫材料的制备方法，包括以下步骤：首先按质量份称取所需组分，将所需的热塑性聚氨酯弹性体、EVA、硅烷偶联剂投入搅拌机中，搅拌混合均匀，然后将表面活性剂、填充剂、石墨烯粉、交联剂、发泡剂、催化剂投入到搅拌机中，搅拌混合均匀，得到均匀的混合物；
将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出造粒，即可得到石墨烯导电鞋垫材料，双螺杆挤出机控制温度为160-185℃。
本发明产生了以下有益效果：1)针对导电鞋垫材料制备工艺繁琐，导电性能差的问题，本发明通过搭配合理的组分，选择简单的制造工艺，制备出石墨烯分散均匀，导电性能好的石墨烯导电鞋垫材料；石墨烯作为导电发热材料，导电发热转化效果高，并且石墨烯可产生部分红外辐射能，有利于改善脚部血液循环；2)体系中加入壳聚糖，硅藻土成分，在起到填充作用的同时，其极强的吸附性使得鞋垫材料的吸水性大大提高，同时也有抑制细菌繁殖的作用。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细清楚的说明描述。
实施例1
本发明的实施例1具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，按重量份计，由以下物质组成：热塑性聚氨酯弹性体35份，EVA22份，石墨烯粉4份，硅烷偶联剂3份，表面活性剂6份，填充剂10份，交联剂6份，发泡剂4份，催化剂1份。
所述热塑性聚氨酯弹性体为聚醚热塑性聚氨酯弹性体990R，CAS号为1211-14-9，购买自广东翁江化学试剂有限公司。
所述EVA中乙酸乙烯的含量为10wt％，购买自凌源贝卞森生物科技有限公司。
所述石墨烯粉为单层结构，购买自浙江亚美纳米科技有限公司。
所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，购买自曲阜晨光化工有限公司。
所述的表面活性剂中聚乙烯醇和聚氧化乙烯两者的重量比值为2:1，所述的聚乙烯醇醇解度为70％-80％，所述聚乙烯醇的CAS号为9002-89-5，购买自天津希恩思生化科技有限公司，所述聚氧化乙烯分子量为50000，所述聚氧化乙烯的CAS号为68441-17-8，购买自北京华威锐科化工有限公司。
所述的填充剂中炭黑、壳聚糖与硅藻土三者的重量份比值为2:1:1；所述的壳聚糖的脱乙酰度为75％-85％，壳聚糖的CAS号为9012-76-4，购买自化夏化学北京公司；所述炭黑的平均粒径为80-100nm，购买自天津希恩思生化科技有限公司；所述硅藻土购买自北京大田丰拓化学技术有限公司。
所述的交联剂中2-异丙基咪唑与三亚乙基四胺两者的重量比值为1:1；所述的2-异丙基咪唑的CAS号为36947-68-9，购买自上海将来实业股份有限公司，所述的三亚乙基四胺的CAS号为112-24-3，购买自广东名图化工有限公司。
所述的发泡剂中硬脂酸和碳酸氢钠的重量份比值为1:1；所述硬脂酸购买自武汉梦奇科技有限公司；所述碳酸氢钠购买自永华化学股份有限公司。
所述的催化剂为四甲基丙二胺，购买自上海麦克林生化科技有限公司。
一种石墨烯导电鞋垫材料的制备方法，包括以下步骤：首先按质量份称取所需组分，将所需的热塑性聚氨酯弹性体、EVA、硅烷偶联剂投入搅拌机中，搅拌混合均匀，然后将表面活性剂、填充剂、石墨烯粉、交联剂、发泡剂、催化剂投入到搅拌机中，搅拌混合均匀，得到均匀的混合物；
将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出造粒，即可得到石墨烯导电鞋垫材料，双螺杆挤出机控制温度为169℃。
实施例2
本发明的实施例2具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，按重量份计，由以下物质组成：热塑性聚氨酯弹性体38份，EVA24份，石墨烯粉5份，硅烷偶联剂4份，表面活性剂7.5份，填充剂12份，交联剂8份，发泡剂5份，催化剂2份。
所述各组分同实施例1，制备方法同实施例1。
实施例3
本发明的实施例3具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，按重量份计，由以下物质组成：热塑性聚氨酯弹性体30份，EVA20份，石墨烯粉2份，硅烷偶联剂2份，表面活性剂6份，填充剂9份，交联剂5份，发泡剂3份，催化剂0.4份。
所述各组分同实施例1，制备方法同实施例1
对比例1
本发明的对比例1具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，组分中不包括石墨烯粉。
对比例2
本发明的对比例2具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，表面活性剂中只添加聚氧化乙烯2份。
对比例3
本发明的对比例3具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，表面活性剂中只添加聚乙烯醇4份。
对比例4
本发明的对比例4具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，所述填充剂中炭黑为5份，硅藻土为2.5份。
对比例5
本发明的对比例5具体提供了一种石墨烯导电鞋垫材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，所述填充剂中炭黑为5份，壳聚糖为2.5份。
性能测试方法
1)表面电阻测试：按照GB/T15738-2008导电和抗静电纤维增强塑料电阻率试验方法测试；
2)抗菌性测试：按照FZ/T 73023-2006进行抗菌性测试，主要对金黄色葡萄球菌，大肠杆菌进行测试。
测试结果见表1
表1
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，由以下物质按重量份组成：热塑性聚氨酯弹性体30-38份，EVA20-24份，石墨烯粉2-5份，硅烷偶联剂2-4份，表面活性剂5-8份，填充剂9-12份，交联剂5-8份，发泡剂3-5份，催化剂0.2-2份。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述热塑性聚氨酯弹性体包括聚酯型、聚醚型中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述石墨烯粉为单层结构或/和多层结构。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述表面活性剂为聚乙烯醇、聚氧化乙烯中的至少一种。
5.如权利要求4所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述表面活性剂中聚乙烯醇和聚氧化乙烯两者的重量比值为1-2:1。
6.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述填充剂为炭黑、碳酸钙、壳聚糖、硅藻土中的至少一种。
7.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述交联剂为2-异丙基咪唑、四气邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、三亚乙基四胺、二甲胺基丙胺、二乙胺基丙胺中的至少一种。
8.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述发泡剂为二苯磺酰肼醚、硬脂酸、碳酸氢钠中的至少一种。
9.如权利要求1所述的一种石墨烯导电鞋垫材料，其特征在于，所述催化剂为四甲基乙二胺、四甲基丙二胺、四甲基己二胺中的至少一种。
10.一种如权利要求1-9任一种石墨烯导电鞋垫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按质量份称取所需组分，将所需的热塑性聚氨酯弹性体、EVA、硅烷偶联剂投入搅拌机中，搅拌混合均匀，然后将表面活性剂、填充剂、石墨烯粉、交联剂、发泡剂、催化剂投入到搅拌机中，搅拌混合均匀，得到均匀的混合物；(2)将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出造粒，即可得到石墨烯导电鞋垫材料。
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