CN116891610A - 一种石墨烯增强抗静电塑料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了石墨烯增强抗静电塑料及其制备方法，涉及抗静电塑料技术领域。本发明将石墨烯、纳米二氧化硅、硫酸钡、抗氧剂、成核剂与塑料基材按比例混合均匀后通过熔融共混挤出并造粒的工艺实现了石墨烯增强抗静电塑料的制备。本发明利用各原料之间的协同作用，在不添加抗静电剂的基础上，实现了低湿度（<10%）抗静电塑料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及抗静电塑料技术领域，尤其涉及一种石墨烯增强抗静电塑料及其制备方法。
背景技术
抗静电塑料是一种特殊的塑料材料，能够有效地防止静电的产生和积聚。静电产生的原因是由于材料表面的电荷不平衡，当这些电荷在材料表面积聚时，就会导致静电放电现象的发生。在某些应用领域中，这种静电放电现象可能会对设备和人员造成损害，因此需要使用抗静电塑料来减少或消除这种现象的发生。因此，抗静电塑料常用于电子、医疗、军工、航空等领域中，如电子元件、医疗设备、防爆仪器、飞机仪表等，有效地减少静电的产生和积聚，以防止静电对产品或人员造成损害或危险，保护设备和人员的安全。
抗静电塑料的原理是通过降低塑料的表面或体积电阻，使其能够有效地泄放静电，从而避免静电放电。目前抗静电塑料的制备方法主要是在塑料中添加抗静电剂，如磷酸酯、聚乙二醇、烷基胺等，使其具有一定的表面导电性或内部导电性。此外，抗静电塑料的抗静电效果受环境湿度的影响，湿度越高，抗静电效果越好。这是因为抗静电剂具有吸湿性，且吸湿后能产生离子化基团，使得塑料表面的导电性大大增加，促进了抗静电效果的发挥。相反，湿度越低，抗静电效果越差。这是因为低湿度下，抗静电剂的亲水基形成的氢键较少，导致塑料表面的电荷泄漏不畅，难以消除静电。具体而言，不同类型的抗静电剂对湿度的敏感程度也不同。一般来说，非离子型抗静电剂对湿度的依赖性较小，而阳离子型和阴离子型抗静电剂对湿度的依赖性较大。
然而，抗静电剂的添加存在一定不足，例如：抗静电剂与ABS树脂的相容性和热稳定性较差，导致抗静电性能不持久，机械强度下降；抗静电剂的添加会增加树脂的内部孔隙，影响力学性能和阻燃性能；抗静电剂的接枝反应性较弱，导致抗静电剂的分散效果不理想，影响导电通路的形成。具体来说，多元醇脂肪类抗静电剂可以有效地降低塑料的表面电阻率，起到永久性的抗静电效果，而对塑料的体积电阻率影响不大，但该类抗静电剂对PP的力学性能和硬度影响较小，但会降低塑料的热稳定性。磺酸类抗静电剂可以降低塑料的表面电阻率，对塑料的体积电阻率影响也不大，对塑料的力学性能和硬度影响较小，但会降低塑料的耐候性。无机微粒类抗静电剂通过在塑料中分散无机微粒，形成导电通道，从而降低塑料的表面电阻率和体积电阻率，该类抗静电剂具有永久性和不受湿度影响的特点，但是会降低塑料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量等力学性能，以及透明度和光泽度等物理性能。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供了一种在低湿度（相对湿度＜10%）条件下依然具备良好抗静电性能的石墨烯增强抗静电塑料，同时避免了抗静电剂的添加并适当提高了抗静电塑料的机械性能。
本发明所述石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将石墨烯、纳米二氧化硅、硫酸钡、抗氧剂、成核剂与塑料基材按比例混合均匀；
S2、将原料加入双螺杆挤出机熔融共混挤出并造粒，即得石墨烯增强抗静电塑料。
进一步地，所述S1中石墨烯的添加量为塑料基材的0.5wt%-2wt%、纳米二氧化硅的添加量为塑料基材的0.5wt%-1.5wt%、硫酸钡的添加量为塑料基材的2wt%-5wt%，抗氧剂的添加量为塑料基材的0.05wt%-0.1wt%、成核剂的添加量为塑料基材的0.05wt%-0.2wt%。
进一步地，所述S1中石墨烯的添加量为塑料基材的0.5wt%、纳米二氧化硅的添加量为塑料基材的0.5wt%、硫酸钡的添加量为塑料基材的3wt%，抗氧剂的添加量为塑料基材的0.05wt%、成核剂的添加量为塑料基材的0.1wt%。
进一步地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂、复合类抗氧剂中的一种或几种。
进一步地，所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂26中的一种或几种。
进一步地，所述亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂12中的一种或两种。
进一步地，所述硫代类抗氧剂为DLTP、DSTP中的一种或两种。
进一步地，所述复合类抗氧剂为抗氧剂1225、抗氧剂211B中的一种或两种。
进一步地，所述抗氧剂1225由受阻酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168按重量比为1:1的比例复配制成。
进一步地，所述抗氧剂211B由受阻酚类抗氧剂1076和亚磷酸酯类抗氧剂168按重量比为1:1的比例复配制成。
进一步地，所述成核剂为氧化钙、山梨醇、聚乙烯戊烷中的一种或几种。
进一步地，所述塑料基材为PVB塑料。
进一步地，所述双螺杆挤出转速为150-200 r/min。
进一步地，所述挤出机各区温度为200℃、200℃、210℃、210℃、220℃、220℃。
本发明还提供了一种根据上述方法制备而成的石墨烯增强抗静电塑料。
由于石墨烯的片状结构与π-π堆积，使其容易发生褶皱或团聚并发生π-π耦合增加团聚倾向。此外，石墨烯的分子间范德华力很大，难与塑料基材形成有效的相互作用，进而导致石墨烯在塑料基材中的分散性较差。为此，本发明在原料体系中引入了硫酸钡。在本发明中，硫酸钡分子能够插入石墨层间，增加层间距离，降低层间作用力，有利于石墨烯的剥离和分散并提高石墨烯的力学性能、导电性能、耐磨性能、耐腐蚀性能，进而解决石墨烯分散性较差的问题。此外，纳米二氧化硅能够增加石墨烯与塑料基材的相容性并均匀分散于基材中，降低塑料的体积电阻率和表面电阻率。即，在本发明中纳米二氧化硅提供了导电网络，而石墨烯提供了增强效应，最终实现良好的抗静电效果。最后，鉴于石墨烯与纳米二氧化硅的存在，能够有效泄露静电荷，提高塑料的力学性能和耐久性能，使其在湿度较低（<10%）的条件下依然具备良好的抗静电性能。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明避免了抗静电剂的不足，在保证塑料具备良好机械性能与透明度的基础上，使其在低湿度（<10%）条件下依然具备良好的抗静电性能。经检测，本发明抗静电塑料在湿度为10%的条件下表面电阻可达106 Ω/cm2。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。
| 序号 | 石墨烯 | 纳米二氧化硅 | 硫酸钡 | 抗氧剂 | 成核剂 |
| 实施例1 | 0.5wt% | 0.5wt% | 3wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
| 实施例2 | 0.5wt% | 0.5wt% | 2wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.05wt% |
| 实施例3 | 2wt% | 1.5wt% | 5wt% | 抗氧剂1225 0.1wt% | 氧化钙0.2wt% |
| 实施例4 | 1wt% | 1wt% | 3wt% | 抗氧剂211B 0.5wt% | 聚乙烯戊烷0.1wt% |
| 实施例5 | 1.2wt% | 0.8wt% | 1.5wt% | 抗氧剂168 0.3wt% | 山梨醇0.15wt% |
| 实施例6 | 2wt% | 0.5wt% | 2wt% | 抗氧剂12 0.05wt% | 聚乙烯戊烷0.05wt% |
| 实施例7 | 2wt% | 0.5wt% | 2wt% | 抗氧剂DLTP 0.8wt% | 山梨醇0.6wt% |
| 对比例1 | 0 | 0.5wt% | 3wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
| 对比例2 | 0.5wt% | 0 | 3wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
| 对比例3 | 0.5wt% | 0.5wt% | 0wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
| 对比例4 | 0 | 0 | 3wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
| 对比例5 | 0 | 0.5wt% | 0wt% | 抗氧剂1225 0.05wt% | 氧化钙0.1wt% |
将上表中各实施例与对比例的原料加入双螺杆挤出机熔融共混挤出并造粒，即得抗静电塑料；
所述双螺杆挤出转速为200 r/min，挤出机各区温度为200℃、200℃、210℃、210℃、220℃、220℃。
在相对湿度为10%的环境下，对实施例1-6与对比例1-5得到的抗静电塑料表面电阻进行测定，结果如下：
| 序号 | 表面电阻（Ω/cm2） |
| 实施例1 | 7.0×106 |
| 实施例2 | 6.8×106 |
| 实施例3 | 6.2×106 |
| 实施例4 | 5.8×106 |
| 实施例5 | 7.7×106 |
| 实施例6 | 7.5×106 |
| 实施例7 | 6.6×106 |
| 对比例1 | 2.2×109 |
| 对比例2 | 5.1×1010 |
| 对比例3 | 3.7×1012 |
| 对比例4 | 1.8×1012 |
| 对比例5 | 2.5×1012 |
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将石墨烯、纳米二氧化硅、硫酸钡、抗氧剂、成核剂与塑料基材按比例混合均匀；
S2、将原料加入双螺杆挤出机熔融共混挤出并造粒，即得石墨烯增强抗静电塑料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述S1中石墨烯的添加量为塑料基材的0.5wt%-2wt%、纳米二氧化硅的添加量为塑料基材的0.5wt%-1.5wt%、硫酸钡的添加量为塑料基材的2wt%-5wt%，抗氧剂的添加量为塑料基材的0.05wt%-0.1wt%、成核剂的添加量为塑料基材的0.05wt%-0.2wt%。
3.根据权利要求2所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述S1中石墨烯的添加量为塑料基材的0.5wt%、纳米二氧化硅的添加量为塑料基材的0.5wt%、硫酸钡的添加量为塑料基材的3wt%，抗氧剂的添加量为塑料基材的0.05wt%、成核剂的添加量为塑料基材的0.1wt%。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂、复合类抗氧剂中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂26中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂12中的一种或两种。
7.根据权利要求4所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述硫代类抗氧剂为DLTP、DSTP中的一种或两种。
8.根据权利要求4所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述复合类抗氧剂为抗氧剂1225、抗氧剂211B中的一种或两种。
9.根据权利要求1所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述成核剂为氧化钙、山梨醇、聚乙烯戊烷中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的石墨烯增强抗静电塑料的制备方法，其特征在于，所述塑料基材为PVB塑料。
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