一种炭黑/聚合物抗静电复合材料及其制备方法与流程

文档序号：12641237阅读：534来源：国知局

本发明涉及抗静电聚合物复合材料领域，具体涉及一种炭黑/聚合物抗静电复合材料及其制备方法。

背景技术：

聚合物相比于传统的金属、陶瓷等材料，具有优良的耐腐蚀性、质量轻、成本低、易加工成型的有点，所以常常用于日常生活以及工业生产的各个领域；但是，由于绝大多数聚合物都是电的绝缘体，一般的聚合物制品在成型、组装、储存和使用过程中很容易在表面积聚静电荷，尤其是在电子行业中，这些积累的静电会对电子产品造成极大破坏。所以，如何消除静电引起人们越来越多的关注；要达到抗静电要求，制品通常的电阻率数量级在10⁵～10¹⁴Ωcm之间，表面电阻10⁸～10¹²Ω。

聚苯乙烯(PS)是目前应用最广泛的高分子材料之一，其拉伸强度可达40～60MPa，但是其断裂伸长率极低约为～5％，不适用于抗静电芯片载带等制品；而高抗冲聚苯乙烯(HIPS)，因其具有不错的冲击韧性，且断裂伸长率达到～50％，屈服强度25MPa左右，常用于各类电子器件的包装、运输和储存过程中。

炭黑(CB)作为碳系导电填料的一种，其来源丰富、制备工艺简单、成本低、与高分子基体复合效果好、应用广泛；其粒径尺寸约为5～10微米，也有许多小颗粒纳米尺寸的炭黑粒子附着在其上；这是因为，粒子尺寸小，比表面积大，表面能大，处于表面的原子能量高；根据能量最低原理，原子更趋向于存在于内部而不是表面，所以炭黑会出现团聚(纳米效应)；在传统的加工过程中，炭黑粒子与聚合物基体通过熔融混合，由于炭黑粒子较高的表面能，所以具有很明显的团聚现象，从而影响聚合物中炭黑粒子导电网络的构建，这对最终制品的表面质量和使用性能都有很大影响。

技术实现要素：

本发明提供一种可以降低炭黑表面能，减小炭黑粒子团聚倾向的炭黑/聚合图抗静电复合材料及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：一种炭黑/聚合物抗静电复合材料，各组分按重量份组成为：高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，炭黑CB 10～20份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 20～50份，聚丙烯酸PAA 0.5～4份，抗氧剂0.15～3份，硬脂酸锌1～2份，季戊四醇1～2份。

进一步的，高抗冲击聚苯乙烯100份，炭黑15份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物30 份，聚丙烯酸1.5份，抗氧剂0.15份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份。

进一步的，所述炭黑和聚丙烯酸按重量百分比为：炭黑：聚丙烯酸＝10:1。

进一步的，所述抗氧剂包括抗氧剂1010和抗氧剂168，按重量组分为抗氧剂1010为IRGANOX1010 0.09～1份，抗氧剂168为Irgafos168 0.06～2份。

一种炭黑/聚合物抗静电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取炭黑10～20份，聚丙烯酸0.5～4份，将炭黑、聚丙烯酸和适量水进行混合完全，然后干燥后将得到的物料粉碎成粉粒状炭黑/聚丙烯酸；在混合过程中可以在CB上包覆一层PAA膜，从而降低表面张力，减小CB粒子的团聚倾向；添加水是为了溶解聚丙烯酸，同时也可以在研磨过程中作为溶剂，能够将炭黑和聚丙烯酸混合均匀；添加的水量以能够将聚丙烯酸溶解为准；

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物20～50份，抗氧剂0.15～3份，硬脂酸锌1～2份，季戊四醇1～2份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；然后干燥后即得炭黑/聚合物抗静电复合材料。

进一步的，所述步骤(2)中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

进一步的，所述步骤(1)中干燥温度为100℃，干燥时间为24h。

进一步的，所述步骤(2)中干燥温度为80℃，干燥时间为48h。

进一步的，所述步骤(1)中炭黑和聚丙烯酸按重量百分比为：炭黑：聚丙烯酸＝10:1。

进一步的，所述步骤(1)中混合采用砂磨机或研磨机进行，混合时间为半小时，转速为1500rpm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在炭黑表面包覆一层聚丙烯酸膜，降低了炭黑的表面张力，减小炭黑粒子的团聚倾向；

(2)本发明采用聚丙烯酸作为分散剂，使炭黑随机均匀分布于高抗冲击聚苯乙烯和苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物中，并形成导电网络；聚丙烯酸层厚度尺寸属于纳米范围，包覆后的炭黑在相互接触时不会影响其导电性能，能够成功构建导电网络通路；

(3)本发明制备过程简单、工艺易于掌握，无任何高能设备和有机溶剂，污染小、生产成本低，容易实现大批量生产；

(4)本发明生产的复合材料在低炭黑含量下具有良好的抗静电性能、机械性能和流变性能。

附图说明

图1为炭黑的表面形貌图。

图2为实施例3中经过PAA处理的炭黑表面形貌图。

图3为实施例1-4中制备的CB/PAA扫描电镜图。

图4为实施例10-12中制备的复合材料粘度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(1)称取炭黑CB 30份，聚丙烯酸PAA 0份，将炭黑、聚丙烯酸和适量水在砂磨机或研磨机中进行混合，混合半小时，转速为1500rpm；将混合好的料在烘箱中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为48小时，将得到的物料粉碎成粉粒状炭黑/聚丙烯酸(CB/PAA)；

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 20份，抗氧剂1010 0.4份，抗氧剂168 0.6份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

步骤(2)中制得的炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述步骤压制成型：将制得的炭黑/聚合物抗静电复合材料粒子在190～200℃条件下预热5分钟；当温度恒定于200℃时，将压力增加到10MPa，热压8分钟，并排气3～5次；最后在10MPa条件下冷却至室温，得到所需炭黑/聚合物抗静电复合材料样品。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为6MPa，断裂伸长率为0.5％，表面电阻为2.0KΩ。

实施例2

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(1)称取炭黑CB 30份，聚丙烯酸PAA 1.5份，将炭黑、聚丙烯酸和适量水在砂磨机或研磨机中进行混合，混合半小时，转速为1500rpm；将混合好的料在烘箱中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为48小时，将得到的物料粉碎成粉粒状炭黑/聚丙烯酸(CB/PAA)；

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为12.5MPa，断裂伸长率为1.4％，表面电阻为1.0KΩ。

实施例3

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(1)称取炭黑CB 30份，聚丙烯酸PAA 3份，将炭黑、聚丙烯酸和适量水在砂磨机或研磨机中进行混合，混合半小时，转速为1500rpm；将混合好的料在烘箱中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为48小时，将得到的物料粉碎成粉粒状炭黑/聚丙烯酸(CB/PAA)；

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为17.5MPa，断裂伸长率为1.2％，表面电阻为1.0KΩ。

实施例4

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为15.8MPa，断裂伸长率为1.9％，表面电阻为6.2KΩ。

实施例5

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(1)称取炭黑CB 15份，聚丙烯酸PAA 1.5份，将炭黑、聚丙烯酸和适量水在砂磨机或研磨机中进行混合，混合半小时，转速为1500rpm；将混合好的料在烘箱中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为48小时，将得到的物料粉碎成粉粒状炭黑/聚丙烯酸(CB/PAA)；

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 25份，抗氧剂1010 0.4份，抗氧剂168 0.6份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为35MPa，断裂伸长率为6％，表面电阻为30.0KΩ。

实施例6

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 30份，抗氧剂1010 0.4份，抗氧剂168 0.6份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为36MPa，断裂伸长率为18％，表面电阻为35.0KΩ。

实施例7

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 35份，抗氧剂1010 0.4份，抗氧剂168 0.6份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为30MPa，断裂伸长率为19％，表面电阻为38.0KΩ。

实施例8

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为38MPa，断裂伸长率为13％，表面电阻为35.0KΩ。

实施例9

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 30份，抗氧剂1010 0.06份，抗氧剂168 0.09份，硬脂酸锌1份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为38MPa，断裂伸长率为8％，表面电阻为35.0KΩ。

实施例10

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 30份，抗氧剂1010 0.06份，抗氧剂168 0.09份，硬脂酸锌1份，季戊四醇0份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为27MPa，断裂伸长率为10％，表面电阻为10.0KΩ。

实施例11

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

(2)称取高抗冲击聚苯乙烯HIPS 100份，苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物SEBS 30份，抗氧剂1010 0.06份，抗氧剂168 0.09份，硬脂酸锌0份，季戊四醇1份；将步骤(1)中得到的炭黑/聚丙烯酸、高抗冲击聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯乙烯苯乙烯共聚物、抗氧剂，硬脂酸锌和季戊四醇熔融挤出混合，造粒；将制得的颗粒在80℃的烘箱中干燥24小时即得炭黑/聚合物抗静电复合材料；其中熔融挤出混合，造粒过程采用双螺杆挤出机进行，双螺杆挤出机从进料口到出料口各区温度如下：一区：145℃，二区：170℃，三区：180℃，四区：190℃，五区：200℃，六区：190℃；双螺杆挤出机转速为150rpm。

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为28MPa，断裂伸长率为11％，表面电阻为15.0KΩ。

实施例12

炭黑/聚合物抗静电复合材料按照下述方法制备：

将得到的炭黑/聚合物抗静电复合材料样品进行性能测试，得到其屈服强度为25MPa，断裂伸长率为18％，表面电阻为8.0KΩ。

从实施例1-4可以看出PAA含量对于炭黑/聚合物抗静电复合材料的电性能和CB分散的影响；根据表面电阻可以看出PAA加入量对于复合材料电性能的影响；进一步测量实施例1-4样品的体积电导率分别为4.1S/m、26.5S/m、32.3S/m、4.9S/m；可以看出CB：PAA质量比为10:1时电性能最好；图1为CB的表面形貌图；图2为实施例3中经过PAA处理过的CB表面形貌图；可以看出CB经过PAA处理后表面变得更加光滑而且附着粒子明显减少；从图3可以看出，CB和PAA的质量比不同对CB分散的影响也不同，其中CB:PAA质量比为10:1时分散情况最好。

从实施5-7可以SEBS对复合材料电性能和力学性能的影响，由性能测试结果可以看出，一定SEBS的加入有利于断裂伸长率的提高，但是不利于电性能；当SEBS增加到35份时，断裂伸长率已增加不明显，增加到50份时失去抗静电性能；实施例8-9可以看出抗氧剂含量对复合材料力学性能的影响；抗氧剂对于力学性能的影响主要体现在对断裂伸长率的影响。

从实施例10-12可以看出硬脂酸锌(Hst)和季戊四醇(J)对复合材料性能的影响；在同时加入硬脂酸锌和季戊四醇时复合材料的断裂伸长率达到18％，表面电阻8KΩ，从图4中可以看出同时也改善了复合材料的流动性能。

本发明复合材料中采用CB、HIPS和SEBS为主要原料，CB作为导电相提供电性能；HIPS作为基体材料提供力学性能；SEBS作为增韧剂以提高断裂伸长率；实用的导电填料CB来源丰富，相比于其他纳米导电填料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维价格要低得多，基体HIPS粒子为市售原料，容易实现大批量生产；CB和PAA通过高速机械混合实现PAA在CB粒子表面的均匀包覆；包覆后的CB再与HIPS和SEBS通过熔融挤出混合造粒，最后通过其它加工方法获得样品；PAA作为分散剂，使CB随机均匀分布于HIPS和SEBS中，并形成导电网络，由于PAA包覆层属于纳米范围，因此由PAA包覆后的CB在相互接触时也不会影响其导电性能，因此能成功构建导电网络通路；另外，PAA分子量低(3000～5000g/mol)、无毒、环保、易于处理且价格低廉，容易实现大批量生产；本发明制备过程简单、工艺易于掌握、无需任何高能设备和有机溶剂、污染小、生产成本低、容易实现大批量生产；且生产的复合材料在低炭黑含量下具有良好的抗静电性能、机械性能和流变性能。

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技术研发人员：雷军;吕智;李忠明;鄢定祥
技术所有人：四川大学
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