专利名称：一种长碳纤维导电增强改性pp材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种长碳纤维导电增强改性PP材料及其制备方法。
背景技术：
PP是一种半结晶性材料。由于均聚物型的PP温度高于0°C以上时非常脆，因此，许多商业的PP材料是加入I 4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度(100°C )、低透明度、低光泽度、低刚性，但是其具有较高的抗冲击强度。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。PP的流动率MFR范围在I 40。低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR的材料，共聚物型的强度比均聚物型的要高。由于结晶，PP的收缩率相当高，一般为1.8 2.5%，并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。为了克服其收缩率，人们试图对其改性以克服其本身的缺陷。通常，人们采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对即PP进行改性。加入30%的玻璃添加剂可以使PP收缩率降到0.7%。虽然采用玻璃纤维对PP改性能部分克服PP本身收缩率高这一缺陷，但这只能改变PP本身的缺陷之一，而且由于玻璃纤维绝缘，通过玻璃改性的PP导电性能弱。如果要想进一步扩大PP的应用范围，如汽车工业、航天工业、石油化工行业、机电行业、电子电器行业中，还必须克服PP其他方面的缺陷，如力学性能和导电性能
发明内容
`本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种力学性能优异、导电性能好的长碳纤维导电增强改性PP材料。本发明的另一目的是提供一种工艺简单，条件易控，生产成本低的长碳纤维导电增强改性PP材料制备方法。为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下:一种长碳纤维导电增强改性PP材料，包括如下重量百分比的配方组分:PP 树脂40 ~ 70 %
相容剂3 ~ 5 %
增韧剂5~10 %
偶联剂3 ~ 5 %
导电炭黑1~3°/。
长碳纤维5~40%
塑料加工助剂 I ~ 3 %。以及，一种长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，包括以下步骤:
按照上述长碳纤维导电增强改性PP材料配方分别称取各组分；将所述PP树脂、相容剂和偶联剂进行混料处理后，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混料处理，得到混合物料；将所述混合物料熔融挤出，得到挤出物料；将所述长碳纤维在100 110°C下预热后进行分散处理；将经分散处理后的长碳纤维与所述挤出物料在180 210°C下通过浸溃机包覆处理后，拉条过水切粒，得到长碳纤维导电增强改性PP材料。上述长碳纤维导电增强改性PP以PP树脂为基体树脂，以长碳纤维为填料，在熔融挤出过程中发生协同作用，赋予该长碳纤维导电增强改性PP材料优异的综合力学性能如拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度以及优异的导电性能。上述长碳纤维导电增强改性PP材料制备方法只需按配方将相应组分混合并在适当的温度下熔融挤出后与长碳纤维进行包覆处理即可得到产品，其制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:图1为本发明实施例长碳纤维导电增强改性PP材料制备方法的工艺流程示意图；图2为PP接枝马来酸酐制备方法工艺流程示意图。
具体实施例方式为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供一种力学性能优异、导电性能好的长碳纤维导电增强改性PP材料。该长碳纤维导电增强改性PP材料包括如下重量百分比的配方组分:PP 树脂40 ~ 70 %
相容剂3 ~ 5 %
增韧剂5~10 %
偶联剂3 ~ 5 %
导电炭黑I ~ 3 %
长碳纤维5~40%
塑料加工助剂 I ~ 3 %。具体地，上述PP树脂作为本发明实施例长碳纤维导电增强改性PP材料的基体组分，其优选为均聚PP、嵌段共聚PP、无规共聚PP中的至少一种。具体的，该PP树脂可以选用埃克森美孚的7033N。当然还可以用选用本领域常用的其他型号的PP树脂。上述相容剂优选选用由发明人自行研发的PP接枝马来酸酐相容剂(PP-g-MAH)，该PP接枝马来酸酐相容剂包括如下重量百分比的配方组分:
PP树脂84 91%
马来酸酐3-5%
苯乙烯3-5%
过氧化二异丙苯0.1-0.5%
抗氧剂0.4-1%
润滑剂0.5-1.5%
白矿油I 3%。在优选实施例中，该PP接枝马来酸酐相容剂包括如下重量百分比的配方组分:
PP树脂91% 马来酸酐3% 苯乙烯3% 过氧化二弄丙苯0.1%
抗氧剂0.4%
润滑剂0.5%
白矿油2%
其中，该PP接枝马来酸酐相容剂配方中的PP树脂可以与上文所述的PP树脂相同也可以不同，如可以选用中石化的均聚PP V30G;马来酸酐可以选用天津中和化工厂产的化学纯马来酸酐；苯乙烯可以选用美国Dow化学公司产的已提纯苯乙烯；过氧化二异丙苯可以选用阿克苏诺贝尔产的分析纯过氧化二异丙苯；抗氧剂可以选用瑞士汽巴精化产的1010和168的1:1复配物；润滑剂可以选用韩国产的EBS120 ;白矿油可以选用抚顺盛威石化产的32#白矿油。当然，该配方中的PP树脂、白矿油还可以选用其他产品型号的PP树脂和白矿油，抗氧剂、润滑剂也可以选用本领域公知的其他类型的抗氧剂、润滑剂。该PP接枝马来酸酐相容剂制备方法参见下文。该优选的PP接枝马来酸酐相容剂与偶联剂复配，协效降低树脂与纤维表面的界面张力，增加树脂与纤维的相互粘结力，增加界面层厚度，提高复合材料的相容性，使体系形成具有宏观均匀微观相分离特征的热力学稳定的相态结构，最终提高复合材料的机械强度。上述增韧剂优选为P0E、EPDM、PE、SBS、SEBS中的至少一种，其中，POE增韧剂优选为 P0EVM3980。上述偶联剂优选为硅烷偶联剂、有机铬络合物偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸化合物偶联剂中的至少一种。其中，硅烷偶联剂可以选用康宁公司产的硅烷类偶联剂KH570。上述导电炭黑优选为德国德固赛产40B2。上述长碳纤维是由含碳量高于90%的无机高分子纤维有机纤维，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。另外，长碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。因此，在上述实施例中，该长碳纤维在熔融挤出过程中与PP树脂等组分协同作用，赋予了长碳纤维导电增强改性PP材料优异的拉伸强度，弯曲强度，弯曲强度等力学性能和优异的导电性能。为了使得该长碳纤维导电增强改性PP材料的力学性能和导电性能最佳，在优选实施例中，长碳纤维的尺寸为拉伸强度≥ 3500Mpa,拉伸模量≥ 230Gpa的长碳纤维。如可以选用长碳纤维牌号为东丽T300，T400，T700中一种，丝束为6Κ，12Κ, 24Κ中的一种，单丝直径在7微米左右。上述塑料加工助剂优选为抗氧剂、润滑剂中的一种或两种。当然，该加工助剂还可以是本领域公知的其他加工助剂。在优选实施例中，该抗氧剂为酚类抗氧化剂和磷酸酯类抗氧化剂按重量1:1配比而成，其中，酚类抗氧化剂可以是CIBA精化的Irganoxl098，磷酸酯类抗氧化剂可以是CIBA精化的 Irganoxl68。在优选实施例中，该润滑剂为已撑双硬酸脂酰胺，如国产EBS。由上述可知，上述长碳纤维导电增强改性PP以PP树脂为基体树脂，以长碳纤维为填料，在熔融挤出过程中发生协同作用 ，赋予该长碳纤维导电增强改性PP材料优异的综合力学性能如拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度以及优异的导电性能。其中，该长碳纤维导电增强改性PP材料的力学性能和导电性能请参见下文表2、3、4中数据。另外，通过对各组分的含量和种类的调整，进一步地提高了该长碳纤维导电增强改性PP材料的力学性能和导电性能。
相应地，本发明实施例还提供了上述长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，其工艺流程如图1所示。该方法包括如下步骤:S01.称取配方组分:按照上述长碳纤维导电增强改性PP材料的配方称取各组分； S02.制备混合物料:将步骤SOl中称取的PP树脂、相容剂和偶联剂进行混料处理后，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混料处理，得到混合物料；S03.混合物料的熔融挤出处理:将步骤S02中的混合物料进行熔融挤出，得到挤出物料；S04.长碳纤维组分的预处理:将步骤SOl中称取的长碳纤维在100 110°C下预热后进行分散处理；S05.长碳纤维与挤出物料的包覆处理:将步骤S04经分散处理后的长碳纤维与步骤S03中制备的挤出物料在180 210°C下通过浸溃机包覆处理后，拉条过水切粒，得到长碳纤维导电增强改性PP材料。具体地，上述步骤SOl中的长碳纤维导电增强改性PP材料的配方以及配方中的各组分优选含量和种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。其中，当相容剂选用为上文所述的PP接枝马来酸酐时，该PP接枝马来酸酐制备方法如下，其工艺流程如图2所示:S011.称取PP接枝马来酸酐配方组分:按照PP接枝马来酸酐配方称取各组分；S012.配制过氧化二异丙苯与白矿油的混合液:将步骤SOll称取的过氧化二异丙苯溶于白矿油中，得到混合液；S013.配制含马来酸酐的混合物料:将步骤2配制的混合液与PP树脂、马来酸酐、苯乙烯、抗氧剂、润滑剂进行混料处理，得到含马来酸酐的混合物料；S014.含马来酸酐的混合物料的熔融挤出处理:将所述含马来酸酐的混合物料熔融挤出，造粒，得到所述PP接枝马来酸酐。其中，上述步骤SOll中，PP接枝马来酸酐配方如上文所述的PP接枝马来酸酐配方，为了节约篇幅，在此不再赘述。上述步骤S013中，混料处理的时间可以根据实际生产条件进行灵活的调整，只要各组分预混充分即可，混料处理的设备可以是高速混合机等。上述步骤S014中，熔融挤出处理优选采用双螺杆挤出机进行熔融挤出，其挤出工艺条件优选为:熔融段温度150 155°C、反应段温度170 185°C、脱气段180 185°C、机头温度150 155 °C。上述步骤S02中，各组分进行混料处理的时间可以根据实际生产条件进行灵活的调整，只要各组分预混充分即可。为了使得各组分混合均匀，在优选实施例中，PP树脂、相容剂和偶联剂进行混料处理的时间为3 5min，加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混料处理为10 20min。其中混料处理的设备可以是高速混合机或搅拌机。上述步骤S03中，混合物料的熔融挤出可以采用本领域常规的工艺。为了使得各组分在熔融挤出中更好的协同 作用，赋予上述长碳纤维导电增强改性PP材料更加优异的力学性能，在优选实施例中，混合物料熔融挤出是采用双螺杆挤出机熔融挤出，其中，该双螺杆挤出机可以是螺杆长径比为35的双螺杆挤出机，其挤出工艺条件为:
前段温度180 220°C、中段温度170 210°C、后段温度160 200°C、机头温度200 220°C ;螺杆转速350 400r/min。其中，该上述步骤S04中，在优选实例中，长碳纤维的预处理优选是将长碳纤维卷置于玻纱架上在100 110°C进行预热，然后通过分纱器将长碳纤维集束分散开来，牵引预浸溃于十字浸溃机头，浸溃机头温度180 210°C ；另外，需要说明的是，上述实施例中步骤S04与步骤S02、步骤S03并非是有先后顺序，可以同时进行步骤S04与步骤S02、步骤S04与步骤S03，或者先进行步骤S02与步骤S03，后进行步骤S04，也可以先进行步骤S04后进行步骤S02、步骤S03。上述步骤S05中，将经步骤S04预处理的长碳纤维与步骤S03中挤出物料在十字浸溃机头充分包覆后，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速，使得长碳纤维粒子长度在10 14mm。其中，粒机切刀转速可以是为15R/min。上述长碳纤维导电增强改性PP材料制备方法只需按配方将相应组分混合并在适当的温度下熔融挤出后与长碳纤维进 行包覆处理即可得到产品，其制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。另外，通过调整熔融挤出的工艺条件，能使得长碳纤维导电增强改性PP材料的力学性能更加优异。现以具体长碳纤维导电增强改性PP材料的配方和制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。其中，在下述各个实施例中，PP树脂采用埃克森美孚的7033N;长碳纤维采用东丽公司产的T300 ;增韧剂采用埃克森美孚的P0EVM3980 ;偶联剂为道康宁公司产的硅烷类偶联剂KH570 ;导电炭黑采用德国德固赛产40B2 ;塑料加工助剂包括抗氧剂和润滑剂，抗氧剂由酹类抗氧化剂(比如CIBA精化的Irganoxl098)和磷酸酯类抗氧化剂(比如CIBA精化的Irganox 168)按重量1:1配比而成，所述润滑剂采用已撑双硬酸脂酰胺，比如国产EBS ;相容剂为上文所述的自制PP接枝马来酸酐(PP-g-MAH)。实施例1本实施例长碳纤维导电增强改性PP材料的重量百分比配方组分如下:PP树脂70% ;长碳纤维15% ;相容剂4% ;增韧剂3% ;偶联剂3.5% ;导电炭黑3% ;塑料加工助剂1.5%。其制备方法如下:步骤一、按上述所述的重量百分比称取各个组分，并对称取的各个组分进行干燥处理；具体可以采用干燥机进行干燥处理；步骤二、将干燥后的PP树脂、相容剂和偶联剂置于高速混合机或搅拌机中预先混合3min，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混合IOmin ；步骤三、将步骤二混合后的物料加入双螺杆挤出机的料斗中经过熔融反应，混炼，流向十字浸溃机头中；双螺杆挤出机的工艺条件为:螺杆长径比为35，前段温度190°C、中段温度180°C、后段温度170°C、十字浸溃机头温度200°C ;螺杆转速350r/min ；步骤四、在步骤三进行的同时，将长碳纤维卷置于玻纱架上在100-110°C进行预热，然后通过分纱器将长碳纤维集束分散开来，牵引预浸溃于十字浸溃机头，浸溃机头温度180"190°C ；步骤五、长碳纤维与浸溃树脂基体在十字浸溃机头充分包覆后，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为15R/min，使得长碳纤维导电增强改性PP材料粒子长度为10_14mm。
对比实例I—种长玻璃纤维增强改性PP材料，其配方和制备方法如同实施例1，不同之处在于将实施例1中的15%的长碳纤维用15%的长玻璃纤维替代。实施例2本实施例长碳纤维导电增强改性PP材料的重量百分比配方组分如下:PP树脂50% ;长碳纤维30% ;相容剂3% ;增韧剂10% ;偶联剂3% ;导电炭黑3% ;塑料加工助剂1%。其制备方法如下:步骤一、按上述所述的重量百分比称取各个组分，并对称取的各个组分进行干燥处理；具体可以采用干燥机进行干燥处理；步骤二、将干燥后的PP树脂、相容剂和偶联剂置于高速混合机或搅拌机中预先混合3min，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料·加工助剂继续混合IOmin ；步骤三、将步骤二混合后的物料加入双螺杆挤出机的料斗中经过熔融反应，混炼，流向十字浸溃机头中；双螺杆挤出机的工艺条件为:螺杆长径比为35，前段温度190°C、中段温度180°C、后段温度170°C、十字浸溃机头温度200°C ;螺杆转速350r/min。步骤四、在步骤三进行的同时，将长碳纤维卷置于玻纱架上在100-110°C进行预热，然后通过分纱器将长碳纤维集束分散开来，牵引预浸溃于十字浸溃机头，浸溃机头温度190-200 0C ；步骤五、长碳纤维与浸溃树脂基体在十字浸溃机头充分包覆后，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为15R/min，使得长碳纤维导电增强改性PP材料粒子长度为10_14mm。对比实例2一种长玻璃纤维增强改性PP材料，其配方和制备方法如同实施例2，不同之处在于将实施例2中的30%的长碳纤维用30%的长玻璃纤维替代。实施例3本实施例长碳纤维导电增强改性PP材料的重量百分比配方组分如下:PP树脂40% ;长碳纤维40% ;相容剂3% ;增韧剂8% ;偶联剂3% ;导电炭黑3% ;塑料加工助剂3%。其制备方法如下:步骤一、按上述所述的重量百分比称取各个组分，并对称取的各个组分进行干燥处理；具体可以采用干燥机进行干燥处理；步骤二、将干燥后的PP树脂、相容剂和偶联剂置于高速混合机或搅拌机中预先混合3min，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混合IOmin ；步骤三、将步骤二混合后的物料加入双螺杆挤出机的料斗中经过熔融反应，混炼，流向十字浸溃机头中；双螺杆挤出机的工艺条件为:螺杆长径比为35，前段温度190°C、中段温度180°C、后段温度170°C、十字浸溃机头温度200°C ;螺杆转速350r/min ；步骤四、在步骤三进行的同时，将长碳纤维卷置于玻纱架上在100-110°C进行预热，然后通过分纱器将长碳纤维集束分散开来，牵引预浸溃于十字浸溃机头，浸溃机头温度200-210 0C ；步骤五、长碳纤维与浸溃树脂基体在十字浸溃机头充分包覆后，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为15R/min，使得长碳纤维导电增强改性PP材料粒子长度为10_14mm。对比实例3一种长玻璃纤维增强改性PP材料，其配方和制备方法如同实施例3，不同之处在于将实施例3中的40%的长碳纤维用40%的长玻璃纤维替代。性能测试:将上述实施例1至实施例3制备的长碳纤维导电增强改性PP材料粒子物料以及对比实例I至对比实例3制备的长玻璃纤维增强改性PP材料粒子物料按ASTM标准注塑成型成各种标准力学性能测试样条，按美国UL标准注塑成标准燃烧试样条，测试方法如表I所示:表I
权利要求
1.一种长碳纤维导电增强改性PP材料，包括如下重量百分比的配方组分: PP 树脂40 ~ 70 % 相容剂3 ~ 5 % 增韧剂5~10 % 偶联剂3 ~ 5 % 导电炭黑I ~ 3 % 长碳纤维5~40 % 塑料加工助剂 I ~ 3 %。
2.根据权利要求1所述的长碳纤维导电增强改性PP材料，其特征在于:所述长碳纤维的拉伸强度≥3500Mpa，拉伸模量≥230Gpa。
3.根据权利要求1所述的长碳纤维导电增强改性PP材料，其特征在于:所述为相容剂为PP接枝马来酸酐，所述PP接枝马来酸酐以其总重量为100%，其包括如下重量百分比的配方组分: PP树脂84 91% 马来酸酐3-5% 苯乙烯3-5% 过氧化二异丙苯0.1-0.5% 抗氧剂0.4-1% 润滑剂0.5-1.5% 白矿油卜-3%。
4.根据权利要求1 3任一项所述的长碳纤维导电增强改性PP材料，其特征在于:所述增韧剂为POE、EPDM、PE、SBS、SEBS中的至少一种。
5.根据权利要求1 3任一项所述的长碳纤维导电增强改性PP材料，其特征在于:所述偶联剂为硅烷偶联剂、有机铬络合物偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸化合物偶联剂中的至少一种。
6.根据权利要求1 3任一项所述的长碳纤维导电增强改性PP材料，其特征在于:所述塑料加工助剂为抗氧剂、润滑剂中的一种或两种。
7.一种长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，包括以下步骤: 按照权利要求1 6任一项所述长碳纤维导电增强改性PP材料配方分别称取各组分； 将所述PP树脂、相容剂和偶联剂进行混料处理后，再加入导电炭黑、增韧剂、塑料加工助剂继续混料处理，得到混合物料； 将所述混合物料熔融挤出，得到挤出物料；将所述长碳纤维在100 110°C下预热后进行分散处理； 将经分散处理后的长碳纤维与所述挤出物料在180 210°C下通过浸溃机包覆处理后，拉条过水切粒，得到长碳纤维导电增强改性PP材料。
8.根据权利要求7所述的 长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，其特征在于，在制备所述挤出物料的步骤中，所述熔融挤出是采用双螺杆挤出，其挤出工艺条件为: 前段温度180 220°C、中段温度170 210°C、后段温度160 200°C、机头温度200 220 0C ;螺杆转速 350 400r/min。
9.根据权利要求7所述的长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，其特征在于:在所述长碳纤维与挤出物料的包覆处理的步骤中，经切粒处理后所得长碳纤维导电增强改性PP材料粒子中的长碳纤维长度为10 14mm。
10.根据权利要求7 9所述的长碳纤维导电增强改性PP材料的制备方法，其特征在于，相容剂为PP接枝马来酸酐，所述PP接枝马来酸酐制备方法如下: 按照权利要求3所述的PP接枝马来酸酐的配方称取各组分； 将所述过氧化二异丙苯溶于白矿油中，得到混合液； 将所述混合液与PP树脂、马来酸酐、苯乙烯、抗氧剂、润滑剂进行混料处理，得到含马来酸酐的混合物料； 将所述含马来酸酐的混合物料熔融挤出，造粒，得到所述PP接枝马来酸酐；所述熔融挤出工艺条件为:熔融段温度150 155°C、反应段温度170 185°C、脱气段180 185°C、机头温度150 155 °C。
全文摘要
本发明公开了一种长碳纤维导电增强改性PP材料及其制备方法。该长碳纤维导电增强改性PP材料包括如下重量百分比的配方组分PP树脂40～70%、相容剂3～5%、增韧剂5～10%、偶联剂3～5%、导电炭黑1～3%、长碳纤维5～40%、塑料加工助剂1～3%。本发明长碳纤维导电增强改性PP材料以PP树脂为基体树脂，以长碳纤维为填料，在熔融挤出过程中发生协同作用，赋予该长碳纤维导电增强改性PP材料优异的综合力学性能如拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度以及优异的导电性能。其工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低，适于工业化生产。
文档编号B29C47/92GK103073789SQ20121056654
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者徐东, 徐永, 文胜 申请人:安徽科聚新材料有限公司