专利名称：导电母粒、导电聚合物单丝及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含有纳米级导电碳黑的导电母粒、导电聚合物单丝及其制备方法和用途。该单丝可编织成空气过滤网，应用在空气过滤器中。
背景技术：
随着社会生活水平的提高和环境保护的需要，人们对大量使用的空调器、空气净化器输出的空气质量要求越来越高，对空气过滤网的要求也提高了。它不仅要提高过滤效率能够过滤掉尽可能多的空气中的灰尘，同时也要求在使用中减少在过滤网上的积尘，以降低过滤网的空气阻力，延长风机电动机的工作寿命和降低噪音数值，最后也要方便清除过滤网上的积尘，延长网的使用寿命。
现在大量使用的空气过滤网是采用塑料聚合物单丝编织而成。因为塑料聚合物本身是不导电的，其表面电阻达到1012Ω以上。因此该空气过滤网在使用中很容易表面积尘，堵塞了过滤网孔，使过滤网的阻力增大，通过的风量减少，需要经常从空调过滤器中取出来清除积尘，否则会降低空气过滤网的使用功能。
由此，为了降低塑料聚合物表面电阻值，达到导电目的，可以采用将导电材料与塑料材料结合的方法，使塑料聚合物单丝本身导电，编织成的空气过滤网可以大大减少表面积尘，降低阻力，延长风机电动机和过滤网使用寿命，也便于网的清洁。目前将导电材料与塑料材料结合的方法是采用表面喷涂、浸渍、电镀等表面处理方式，将导电材料包覆在塑料聚合物单丝表面，但该方法的缺点是(1)导电单丝表面的导电层在单丝编织成滤网的过程中会受到破坏；(2)在清除过滤网积尘的时候，表面导电层也会受到损伤。以上二个原因，都会使导电过滤网的导电能力下降，过滤网的使用寿命缩短。因此，需求一种新的导电单丝，其导电性能稳定而且持久。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种导电母粒，用于制备导电聚合物单丝。
本发明的另一个目的是提供一种导电聚合物单丝及其制备方法和用途。
本发明的第一方面涉及一种导电母粒，它包含(i)20-35重量％纳米级导电碳黑，该纳米级导电碳黑的细度为1-100nm；和(ii)余量的聚合物，选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种；以所述母粒的总重量为基准。
在一个优选的实施方式中，所述的导电碳黑是粉状或柱状。
在另一个优选的实施方式中，所述的聚合物是聚丙烯。
在再一个优选的实施方式中，所述导电母粒还包含分散剂，该分散剂选自聚乙烯蜡和氧化聚乙烯。
在再一个优选的实施方式中，所述的导电母粒还包含添加剂，选自偶联剂、稀释剂、热稳定剂中的一种或多种。
本发明的第二方面涉及一种导电聚合物单丝，它包含25-40重量％的本发明的导电母粒；和组分(iii)余量的聚合物材料，以该聚合物单丝的总重量为基准；所述聚合物材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。
在一个优选的实施方式中，所述的组分(iii)聚合物与导电母粒所含的组分(ii)聚合物相同。
本发明的第三方面涉及导电单丝的制备方法，它依次包括如下步骤将导电母粒的各组分依次进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，制成导电母粒；再将导电单丝的各组分依次进行烘料、混合、搅拌，并由挤出机熔融挤出、冷却、牵伸、定型、收卷，制成单丝。
本发明的第四方面涉及一种导电单丝的用途，它用于编织成空气过滤器中的空气过滤网。在一个优选的实施方式中，所述的空气过滤器是空调器、空气净化器或空气清新器。
具体实施例方式
采用的导电碳黑是一种新型的超高导电材料，将之掺入塑料基料中制备成塑料单丝具有如下优点①纳米级导电碳黑粉末粒度细，比表面积大，有利于碳粒子之间的连接，提高了导电性能；②纳米级导电碳黑分散性能好，有利于混合均匀，使单丝制品色泽均匀；③纳米导电碳黑尺寸细小，活性强，能够在树脂中更好地分散、混合和加工，容易与塑料熔于一体。另外，导电碳黑与母粒中的聚合物进行分子级混合，该母粒制成的导电单丝具有稳定而且持久的导电性能。
在导电母粒中，纳米级导电碳黑粉末的用量为20～35重量％。该含量如果低于20重量％，母粒导电性能就不足；如果高于35重量％，所使用的导电碳黑粉末过多，成本增大。该含量优选20～30重量％，再优选20～25重量％。
在母粒中使用的纳米级导电碳黑粉的细度为1～100nm。该范围内的任何细度的导电碳黑均能够用于本发明。其细度优选为1～80nm，再优选1～60nm，再优选1～40nm，再优选1～20nm，再优选1～10nm。
导电碳黑的形态可以是任何形态，优选粉末状或柱状，更优选柱状。柱状碳黑在使用过程中不易起尘、不会污染环境，更有利于环保。
在导电母粒中所使用的聚合物可以选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。优选聚丙烯。
采用纳米级导电碳黑粉制备导电母粒的过程中，由于纳米级材料尺寸很小，自身具有粘合团聚现象。为此，可以加入高分子分散剂，避免纳米级粉的团聚现象。分散剂可以选用常规的适用于碳黑和本发明所用聚合物的分散剂，优选聚乙烯蜡和氧化聚乙烯。另外，还可以加入各种其它添加剂，以利于导电母粒的加工或提高导电母粒的性能。所述添加剂可以选自以下的一种或多种偶联剂、稀释剂、热稳定剂等等。这些添加剂可以采用该行业内的常规的偶联剂、稀释剂和热稳定剂等。偶联剂的作用是使无机的导电材料与树脂基体相容，可以采用钛酸酯类偶联剂等，例如国产的TC-9钛酸酯偶联剂，适合碳黑的分散，还具有抗静电的功效。稀释剂可以采用液体石蜡(也称白油)等，稀释剂还具有提高混合分散效果的作用。热稳定剂可以采用硬脂酸锌(又称十八酸锌)和硬脂酸钙(又称十八酸钙)，其作用是提高树脂基体的热稳定性，同时还有润滑的作用。
这些添加剂的用量是本行业内的常规用量。例如，偶联剂的用量可以为导电碳黑的1-2重量％，稀释剂与偶联剂的重量比可以为1∶1，热稳定剂的用量可以是导电碳黑的1-1.5重量％，分散剂的用量可以是导电碳黑的5-10重量％。
本发明的导电聚合物单丝，包含本发明的导电的聚合物母粒和聚合物材料，所述母粒占聚合物材料重量的25～40重量％。优选25～35重量％，再优选25～30重量％。如果低于25重量％，单丝的导电功能就会不足，达不到所要求的性能；如果高于40重量％，成本就较大。所述聚合物材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。对于空气过滤器中的过滤网，优选采用聚丙烯。
在本发明的导电聚合物单丝的一个优选实施方式中，单丝所包含的聚合物材料优选与导电母粒中的聚合物相同。这样，单丝中所包含的聚合物材料易与母粒中的聚合物相容，有利于聚合物单丝的加工。
在本发明的单丝的另一个优选实施方式中，单丝所包含的聚合物材料与能够导电的母粒中的聚合物均为聚丙烯，因为聚丙烯适用于用作空气过滤器中的过滤网材料。
本发明对于能够导电的聚合物单丝的直径没有特别限制，其直径可以根据实际需要进行选择。其直径一般为0.06～0.25mm。当其用于空气过滤器的过滤网时，直径优选为0.06～0.22mm，再优选为0.06～0.18mm，再优选为0.06～0.14mm，再优选为0.08～0.12mm。
本发明的导电母粒采用常规的方法制备，将导电碳黑和聚合物按照所要求的比例，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。
本发明的具有导电功能的聚合物单丝也采用常规的方法制备将上述制得的母粒颗粒与聚合物材料进行烘料，并按照所要求的比例进行混合、搅拌，然后由挤出机熔融挤出、冷却、牵伸、定型、收卷，制成单丝。
在本发明方法的一个优选实施方式中，还包括收卷之后的切断步骤，将制成的单丝按照实际需要切断成所要求的长度。
下面依次描述该方法的各步骤。
(1)烘料将纺丝级的聚合物原料和具有导电功能的聚合物母粒颗粒放入烘干机中烘干，烘料温度没有特别限制。采用一般的烘料温度即可。需要注意温度不能过高，也不能过低，过高会使聚合物原料软化，粘结成块；温度过低，干燥作用不足。烘料优选为50℃～100℃，更优选为60℃～90℃。
(2)混合和搅拌将本发明的具有导电功能的聚合物母粒颗粒与构成单丝的聚合物材料以所需要的重量比例，加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌。
(3)熔融挤出将充分搅拌的配料放入挤出机中通过预热、熔化、塑化、喷丝工序后熔融挤出单丝，挤出温度可以采用本行业内常规的温度范围进行。
预热温度为150℃～170℃。当预热温度低于150℃时，挤出不顺利，单丝的质量和挤出产量不好。塑化温度为170℃～240℃，计量温度和挤出温度为240℃～280℃。当挤出温度高于280℃时，会使聚合物降解，造成聚合物分子量下降，影响单丝的力学性能、强度等。
熔融计量温度和挤出温度均优选为240℃～280℃，更优选250℃～270℃。
(4)冷却将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度一般为20℃～40℃。
当冷却温度低于20℃时，会造成单丝结晶不均匀，力学性能差。当冷却温度高于40℃，会造成结晶不足，单丝较软，力学性能和强度不足。
冷却温度优选25℃～35℃，更优选28℃～32℃，最优选30℃。
(5)牵伸将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度一般为90℃～120℃、牵伸倍数一般为5.0～6.5倍。
如果牵伸温度低于90℃，单丝容易断裂；如果高于120℃，聚合物会软化，甚至局部熔化，不利于牵伸。
牵伸温度优选95℃～115℃，更优选100℃～110℃。
牵伸倍数一般为5.0～6.5。如果牵伸倍数低于5，单丝的力学性能和强度等不足，而且伸长率偏大。如果牵伸倍数高于6.5，单丝的力学性能和强度等偏大，但是伸长率偏小。
牵伸倍数优选5.3～6.2，更优选5.5～6.0，最优选5.8。
(6)定型将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度一般为90℃～120℃，回缩率为0～8％。
定型温度主要根据单丝的使用环境的温度来确定，而单丝的一般使用环境温度为70℃左右。
当定型温度低于90℃时，定型不足，单丝在使用过程中容易变形。当定型温度高于120℃时，单丝会软化、甚至局部熔化，不利于定型。
定型温度优选95℃～115℃，更优选100℃～110℃。
如果定型中的回缩率大于8％，收缩率偏大，那么由该单丝制成的网的面积会缩小，由此成本增高。
该定型中的回缩率优选0～6％。
(7)收卷将定型过的单丝在收卷机上卷取，收卷张力一般为100CN～200CN，收卷一般速度为80米/分～160米/分。
如果收卷张力低于100CN，那么张力太小，网的收卷困难。如果收卷张力高于200CN，那么张力太大，网会产生卷曲变形。
收卷张力优选110～160CN，再优选120～140CN。
同样，收卷速度低于80米/分或高于160米/分，会使丝制成的网在使用过程中变形。
收卷速度优选为100～150米/分，再优选为120～140米/分。
制得单丝后，还可以进一步由常规的编织方法，将制得的单丝编织成网。
本发明通过将导电材料的应用引入空气过滤产品领域，将导电碳黑材料掺入聚丙烯等树脂中，改进现有的单丝制备工艺技术，获取到一种具有导电功能的塑料单丝。用该类单丝编织成空气过滤网，装入各类空调中进行空气过滤；该类单丝还可用于其他可以提供清洁空气、净化空气环境的产品，如空气净化机中。
在本发明的方法中，将导电碳黑充入掺入塑料中制成导电单丝，单丝编织成空气过滤网，大大减少过滤网的表面积尘，降低了空气流过过滤网的阻力，提升了过滤网的功能，丰富了聚丙烯塑料纺丝配方，扩大了聚丙烯树脂、单丝及织物的应用范围。
普通单丝的表面电阻达到1012Ω以上，采用本发明的导电单丝的表面电阻值为104～105Ω，具有防静电功能，该数据由国家法定检测机构中国上海测试中心测得。同时，本发明的单丝还具有优良的力学性能，完全满足空气过滤器的过滤网的要求，其断裂强力≥850CN，断裂伸长率18％～50％。
实施例实施例120重量％导电碳黑、1重量％分散剂聚乙烯蜡和79重量％聚乙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。
该母粒含有20重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为20nm，该母粒中采用的聚合物是聚乙烯。
将上述母粒与纺丝级聚苯乙烯分别在60℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚苯乙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚苯乙烯重量的25重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在280℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为30℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为100℃，牵伸倍数为6.2倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为100℃，回缩率为6％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为140CN，收卷速度为100米/分。
制成的单丝的直径为0.06mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为1×105Ω。
将该网用作空调器中的过滤网。
实施例220重量％导电碳黑、1.6重量％分散剂聚乙烯蜡和78.4重量％聚丙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有20重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为25nm，该母粒中采用的聚合物是聚丙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在90℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的30重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在275℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为28℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为110℃，牵伸倍数为6.3倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为95℃，回缩率为5％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为120CN，收卷速度为110米/分。
制成的单丝的直径为0.08mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为5×104Ω。
将该网用作空气净化器中的过滤网。
实施例325重量％导电碳黑、1.8重量％分散剂聚乙烯蜡和73.2重量％聚丙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有25重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为25nm，该母粒中采用的聚合物是聚丙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在80℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的25重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在275℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为40℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为120℃，牵伸倍数为6.5倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为120℃，回缩率为6％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为150CN，收卷速度为120米/分。
制成的单丝的直径为0.12mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为4×104Ω。
将该网用作空气清新器中的过滤网。
实施例425重量％导电碳黑、2.2重量％分散剂氧化聚乙烯和72.8重量％聚丙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有25重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为30nm，该母粒中采用的聚合物是聚丙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在80℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的30重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在280℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为30℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为100℃，牵伸倍数为6.2倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为100℃，回缩率为6％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为140CN，收卷速度为140米/分。
制成的单丝的直径为0.18mm。
将单丝编织成空气过滤网测，试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为1×104Ω。
将该网用作空调器中的过滤网。
实施例530重量％导电碳黑、2.5重量％分散剂氧化聚乙烯和67.5重量％聚乙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有30重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为35nm，该母粒中采用的聚合物是聚乙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在80℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的35重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在275℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为30℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为100℃，牵伸倍数为6.2倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为100℃，回缩率为6％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为140CN，收卷速度为145米/分。
制成的单丝的直径为0.2mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为9×103Ω。
将该网用作空调器中的过滤网。
实施例6
30重量％导电碳黑、3重量％分散剂氧化聚乙烯和67重量％聚丙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有30重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为35nm，该母粒中采用的聚合物是聚丙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在60℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的40重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在280℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为30℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为100℃，牵伸倍数为6.2倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为100℃，回缩率为6％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为140CN，收卷速度为150米/分。
制成的单丝的直径为0.22mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为7×103Ω。
将该网用作空调器中的过滤网。
实施例735重量％导电碳黑、3.5重量％分散剂氧化聚乙烯和61.5重量％聚丙烯，进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，即制成本发明的具有导电功能的母粒。该母粒含有35重量％导电碳黑粉，该导电碳黑粉的细度为40nm，该母粒中采用的聚合物是聚丙烯。
将上述母粒与纺丝级聚丙烯分别在80℃温度下烘料。然后，将母粒与纺丝级聚丙烯加入常规搅拌机中进行混合、并充分搅拌，其中加入的母粒占聚丙烯重量的40重量％。
将充分搅拌好的混合料放入挤出机中，在280℃温度下熔融挤出，然后，将熔融挤出的单丝放入冷却槽，例如水槽中冷却，冷却温度为20℃。
将冷却后的单丝放入牵伸机进行牵伸，牵伸温度为90℃，牵伸倍数为5.0倍。
将牵伸过的单丝放入定型机进行热定型，定型温度为90℃，回缩率为3％。
将定型过的单丝在收卷上卷取，收卷张力为100CN，收卷速度为160米/分。
制成的单丝的直径为0.25mm。
将单丝编织成空气过滤网，测试其导电性能，以其表面电阻值表示，表面电阻为5×103Ω。
将该网用作空调器中的过滤网。
权利要求
1.一种导电母粒，包含(i)20-35重量％纳米级导电碳黑，该纳米级导电碳黑的细度为1-100nm；和(ii)余量的聚合物，选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种；以所述母粒的总重量为基准。
2.如权利要求1所述的导电母粒，其中所述的导电碳黑是粉状或柱状。
3.如权利要求1或2所述的导电母粒，其中所述的聚合物是聚丙烯。
4.如权利要求1或2所述的导电母粒，它还包含分散剂，选自聚乙烯蜡和氧化聚乙烯。
5.如权利要求1或2所述的导电母粒，它还包含添加剂，选自偶联剂、稀释剂、热稳定剂中的一种或多种。
6.一种导电聚合物单丝，它包含25-40重量％的权利要求1所述的导电母粒；(iii)余量为聚合物材料，以该聚合物单丝的总重量为基准；上述聚合物材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。
7.如权利要求6所述的单丝，其中所述的组分(iii)聚合物与导电母粒所含的组分(ii)聚合物相同。
8.一种制备权利要求6所述的导电单丝的方法，它依次包括如下步骤将权利要求1所述的导电母粒的各组分依次进行混合、搅拌、熔融挤出、造粒，制成导电母粒；将权利要求6所述的导电单丝的各组分依次进行烘料、混合、搅拌，并由挤出机熔融挤出、冷却、牵伸、定型、收卷，制成单丝。
9.一种权利要求6所述单丝的用途，它用于编织成空气过滤器中的空气过滤网。
10.如权利要求9所述的用途，其中所述的空气过滤器是空调器、空气净化器或空气清新器。
全文摘要
本发明涉及一种导电母粒、导电聚合物单丝及其制备方法和用途。所述导电母粒包含(i)20－35重量％纳米级导电碳黑，该纳米级导电碳黑的细度为1－100nm；和(ii)余量的聚合物，选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。所述的导电聚合物单丝包含25－40重量％的上述导电母粒，和(iii)余量为聚合物材料；所述聚合物材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺中的至少一种。本发明的导电单丝具有稳定和持久的导电性，其表面电阻值大幅度降低，具有优良的抗静电性能。该导电单丝能够用于空气过滤器中的过滤网。
文档编号C08K3/00GK1817951SQ200610023739
公开日2006年8月16日 申请日期2006年2月5日 优先权日2006年2月5日
发明者丁宏广, 洪贤良 申请人:丁宏广