一种复合抗静电塑料浓缩母料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种复合抗静电塑料浓缩母料及其制备方法。

背景技术：

大部分塑料是良好的绝缘体，在使用环境下在表面容易产生静电，特别是干燥的环境下这种现象更加明显。静电的产生经常发生负面效应，如简单的人体接触会产生不舒服感，容易造成电子元器件的损坏和易燃物的起火爆炸等。防止静电的积累需要塑料的表面电阻范围在106～10欧姆，方阻越低，抗静电级别越高。

对于有抗静电需求的塑料产品，可以在其产品表面喷涂防静电液或在生产原料中添加抗静电剂，添加导电纳米粉体和导电高分子是实现永久抗静电性的最佳途径，其它抗静电方法持续时间较短或有其它的缺点。

导电炭黑是性价比比较高的导电添加剂，添加2％左右乙炔炭黑往往就可以实现抗静电效果，但是存在以下缺点：炭黑很难分散均匀，是非常黑的消光颜色，力学强度可能降低和脆性增加。石墨烯的电导率远远高于炭黑，在同等添加量的情况下，可以实现更高的电导率或更低的电阻，或者添加更少的石墨烯达到所需的电导率。已经有专利阐述石墨烯的抗静电应用，但是由于石墨烯自身的价格以及分散性和叠加问题，导致解决方案的性价比不高。而主流的化学法制备的氧化还原石墨烯的电导率远远低于石墨烯的本征电导率，而且制备工艺不环保，容易堆积重叠，难以分散，大部分塑料表面张力较低，石墨烯表面与塑料的润湿性和附着力不够，难以兼容。

中国专利文献上公开了“一种抗菌耐老化抗静电塑料母料及其制备方法”，其公告号为cn102464821a，该发明通过添加金属颗粒使材料的静电率显著降低，体积固有电阻降到十以下，但是该抗静电塑料母料的制备成本较高，性价比不高。因此，开发一种性价比高、成本低的抗静电塑料浓缩母料具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于导电网络的协同效应，以最小的添加量和最低成本达到抗静电的效果的复合抗静电塑料浓缩母料，该复合抗静电塑料浓缩母料与塑料加工工艺兼容，在正常的注塑成形工艺中能够作为添加剂直接添加，无需额外的母料造粒工艺，降低了生产成本。

本发明还提供了一种复合抗静电塑料浓缩母料的制备方法，该方法低成本、可大规模工业化生产。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合抗静电塑料浓缩母料，所述复合抗静电塑料浓缩母料包括以下重量份的组分：改性石墨烯5～20份，碳纳米管(cnt)0～10份，导电炭黑(如乙炔炭黑)0～10份和润滑剂100份；所述改性石墨烯，碳纳米管和导电炭黑的质量总和在复合抗静电塑料浓缩母料中的质量百分含量大于20％。

图1给出了各类碳素复合材料的电阻率，石墨烯和碳纳米管具有同等降低复合材料电阻率的能力，其次为导电乙炔炭黑。从价格而言，炭黑最低，碳纳米管其次，石墨烯最高。塑料的注塑和混合都是高粘度和高剪切工艺，这些工艺为粉体提供分散的同时也可能起到破坏作用，撕裂石墨烯，剪断碳纳米管等等，对高剪切的承受能力，炭黑最高，石墨烯其次，碳纳米管最低，很容易在工艺中剪断，失去原有的性能。综合成本和应用场景的分析。图2给出了本发明复合抗静电塑料浓缩母料的导电和抗叠加机理，通过改性石墨烯、纳米管和导电炭黑的复合可以增加彼此之间的接触点，降低石墨烯再重叠的可能性，为了降低工艺中对石墨烯和碳纳米管的剪切作用，同时添加具有润滑效果的油性成分(润滑剂)，本发明采用改性石墨烯与润滑剂复配，有利于增加复合抗静电塑料浓缩母料与塑料表面的润湿性和附着力，具有兼容性，故该浓缩母料作为抗静电添加剂与塑料加工工艺兼容，在正常的注塑成形工艺中能够作为添加剂直接添加，无需额外的母料造粒工艺，降低生产成本的同时是，更具有工艺稳定性和较高的性价比。本发明复合抗静电塑料浓缩母料中导电纳米材料质量含量超过20％的颗粒产品，为高浓度抗静电添加剂，具有较少的添加量时，即可实现抗静电的效果。

作为优选，所述润滑剂由马来酸酐接枝聚丙烯和增塑剂按照重量比100：(100～500)配制而成；所述增塑剂选自液体丁腈橡胶，环氧大豆油和邻苯二甲酸二辛酯(dop)中的一种或几种混合。

在实际生产过程中，该润滑剂需要与溶剂混合获得润滑剂混合液使用，所述润滑剂混合液由马来酸酐接枝聚丙烯、增塑剂、二甲苯溶剂的按照重量比(10～50)：(10～50)：100配制而成。除去二甲苯溶剂后改性石墨蠕虫与树脂和增塑剂的和的重量比为(5～20)：100。

作为优选，所述改性石墨烯为偶联剂改性石墨烯；所述偶联剂为10～25wt％的氨基硅烷水解乙醇溶液。

一种复合抗静电塑料浓缩母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将可膨胀石墨加热膨胀，得石墨蠕虫；

(2)将石墨蠕虫的表面进行氧化处理，加入偶联剂进行改性，得改性石墨蠕虫；

(3)在改性石墨蠕虫中加入润滑剂，高速分散得石墨蠕虫混合液浆料；

(4)将石墨蠕虫混合液浆料以剪切速度≥10000/s的条件连续循环分散剥离，得石墨烯混合液浆料；

(5)按照上述配比，添加碳纳米管和导电炭黑到石墨烯浆料中，继续分散得纳米碳材复合浆料；

(6)将纳米碳材复合浆料经真空喷雾干燥处理，即得复合抗静电塑料浓缩母料。

本发明以高膨胀倍数的可膨胀石墨为原材料，以表面氧化技术和高剪切剥离分散技术为主要技术支撑，产品为泛用的浓缩母料，并且生产设备皆为工业化设备。本工艺采用酸插层以及任何可膨胀石墨为高温膨胀石墨蠕虫原材料，高温膨胀石墨蠕虫，特别是高倍膨胀蠕虫适合本发明。各步骤中混合工艺均在同一螺带加热搅拌釜内进行。本发明适用于大批量制备低成本抗静电高浓度母料，可膨胀石墨粉体经高温膨胀后制得高比表面积的石墨蠕虫，该石墨蠕虫的内表面经过氧化改性和偶联剂修饰后与润滑剂复合溶液、碳纳米管、导电炭黑等混合在高剪切剥离分散后制得复合悬浮液，干燥后得石墨烯和导电纳米材料质量含量超过20％的颗粒产品。本浓缩母料可以在正常的注塑成形工艺中作为添加剂添加，并不需要额外的母料造粒工艺，降低了生产成本。

作为优选，步骤(1)中，所述可膨胀石墨的膨胀倍数大于400倍；所述石墨蠕虫的比表面积大于60m²/g；所述可膨胀石墨的加热膨胀温度为600～1800℃。

可膨胀石墨的工业化产品已经轻易达到膨胀倍数超过400倍，比表面积超过30平方米/克，石墨蠕虫蜂窝结构的壁厚少过90层碳原子，更理想的膨胀石墨是膨胀倍数超过1000倍，比表面积超过60平方米/克，石墨蠕虫蜂窝结构的壁厚少过50层碳原子。天然石墨的厚度为微米级其比表面积一般少于10平方米/克，剥离至纳米级的石墨烯需更多的能量，所以膨胀蠕虫是更佳的原材料。可膨胀石墨在600至1200℃的高温气流中膨胀，例如天然气燃烧的高温气氛中膨胀，为了得到高含碳量的蠕虫、也可以在高温电炉中膨胀以及在微波氮气环境下的膨胀更理想，膨胀温度应该高于1000℃，更好超过1200℃和更好超过1600℃，以及更高，杂质在高温处理的过程中挥发和氮气一起排出，石墨蠕虫的碳含量可以得到更好的提升同时产生的纳米孔也是溶剂扩散浸入的开口，也可以使用氦气和其它惰性气体作为载气，有氧的空气等不适合作为载气因为在450℃以上氧可以与石墨蠕虫反应成为一氧和二氧化碳。为提高杂质的挥发性可以使用高速抽风机减低炉内气压。

作为优选，步骤(2)中，氧化处理的工艺条件为：将25～50wt％的双氧水按照石墨蠕虫：双氧水重量比1:(0.1～0.3)的添加比例加入到石墨蠕虫中，先于常温反应10～120min，然后升温至100～110℃反应10～60min。

作为优选，步骤(2)中，所述偶联剂与石墨蠕虫的添加质量比为1:(0.05～0.5)；改性条件为：先于室温反应10～200min，然后升温至60～80℃后反应20～300min。

作为优选，步骤(3)中，采用立式螺带加热搅拌釜进行高速分散，所述立式螺带加热搅拌釜设有液体喷雾机构；所述立式螺带加热搅拌釜采用电加热或加热油加热，所述立式螺带加热搅拌釜的升温速率大于100℃/h；所述立式螺带加热搅拌釜内设有转向螺带，所述转向螺带顺时针旋转为混料，逆时针旋转为排料。转向螺带使得搅拌过程更为充分，可调节搅拌方向，使得混料、排料随时切换，同时有利于实现混料、排料程序的连续化，提高生产效率，能够实现抗静电塑料浓缩母料的连续化生产。

作为优选，步骤(4)中，连续循环分散剥离的温度控制在10～35℃；所述石墨烯混合液浆料中石墨烯的粒径小于20μm。

作为优选，步骤(5)中，所述纳米碳材复合浆料中剥离后的碳纳米管和导电炭黑的粒径小于20μm。

作为优选，步骤(4)和(5)中，采用高速均质装置进行连续循环分散剥离；所述高速均质装置的转速大于2500r/min；所述高速均质装置为高速均质机、高速砂磨机、高压均质机或高速胶体磨均质机。优选为高速胶体磨均质机。

虽然超声波剥离已经证明是有效的分散方法，但由于生产效率低并非最佳的工艺，高速均质机和高速胶体磨是合理有效的方法，可在较高温和较高压条件下工作，其转速可以超过3000转，满足剪切速率的要求，以及多段均质，在每段环节可以使用多组定子和转子的组合，定子和转子之间的距离在50至200微米，距离越小剪切效率越高。

作为优选，步骤(6)中，于真空喷雾干燥塔内进行真空喷雾干燥处理，采用红外线加热，所述真空喷雾干燥塔内温度高于80℃，压力低于3kpa，使所有的溶剂得到汽化并排出塔外，溶剂蒸汽经过不同温度冷凝回收不同溶剂，更为绿色环保。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明原料需求成本低、工艺步骤简单，对设备要求低，可操作性强，易于

实现大规模工业化生产；

(2)本发明工艺生产所得的塑料浓缩母料具有与塑料的加工生产工艺兼容，能够提高塑料的强度、耐紫外线、使用寿命、性能稳定性、电导率、导热率的优点，具有广阔的应用前景；

(3)该浓缩母料可以在正常的注塑成形工艺中作为添加剂添加，并不需要额外的母料造粒工艺，降低了生产成本。

附图说明

图1是各类碳复合材料的体积含量与电阻率之间的关系图。

图2是本发明复合抗静电塑料浓缩母料的导电和抗叠加机理图。

图3是本发明抗静电塑料浓缩母料的制备方法所用装置的结构示意图。

图4是实施例1制得的纳米碳材复合浆料的sem图。

图5是实施例2制得的纳米碳材复合浆料的sem图。

图3中：料斗1，螺杆进料机2，高温电加热膨胀炉3，碳化硅加热棒4，空气泵5，立式螺带加热搅拌釜6，出料口7，热油进口8，热油出口9，液体喷雾机构10，转向螺带11，驱动马达12，双氧水储罐13，偶联剂储罐14，混合液储罐15，高速胶体磨均质机16，浆料泵17，排料阀门18，流量计19。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

如图3所示，为本发明抗静电塑料浓缩母料的制备方法所用装置的结构示意图，包括由料斗1和螺杆进料机2组成的可膨胀石墨投料机构，高温电加热膨胀炉3，立式螺带加热搅拌釜6，双氧水储罐13，偶联剂储罐14，混合液储罐15和高速胶体磨均质机16，高温电加热膨胀炉内设有碳化硅加热棒4，高温电加热膨胀炉通过空气泵5与反应釜相连接，反应釜内设有由驱动马达12，搅拌轴和环绕搅拌轴的转向螺带11组成的搅拌机构和热油加热机构，反应釜的上端设有液体喷雾机构10，下端设有出料口7，反应釜外壁设有夹套，夹套下端设有热油进口8，上端设有热油出口9；氧化剂储罐和偶联剂储罐通过流量计19控制流量，并与液体喷雾机构相连接；高速胶体磨均质机的进口端通过浆料泵17与反应釜的出料口相连接，出口端与反应釜的上端相连接，构成石墨烯循环剥离系统，浆料泵与高速胶体磨均质机之间设有排料阀门18，转向螺带的转动方向可调节，正转时混料，逆转时排料。

本发明所用均质机为本领域高规格配置，其代表设计可以参考charlesrossandsoncompany(www.mixers.com)。均质机的流量为每小时2000升，由3组定子和转子组成，定子和转子之间的距离为150微米，小于粉体的粒径，转速为2950转/分。高速胶体磨均质机请参考上海伊肯cm2000。

实施例1

(1)将50目可膨胀石墨置于料斗内的通过螺杆进料送入电加热高温膨胀炉，经1000℃高温加热膨胀处理，得到高比表面积、高碳含量的石墨蠕虫，蠕虫的膨胀倍数约610倍，比表面积71m²/g，通过风机将石墨蠕虫直接吹入立式螺带加热搅拌釜至釜满，边搅拌边喷入30％的双氧水，蠕虫与双氧水的重量比为1：0.2，双氧水的流量可以用流量泵控制，持续搅拌30分钟，在一个小时内升温至105℃并维持50分钟，持续搅拌降温至50℃以下；

(2)继续搅拌蠕虫，喷入15wt％氨丙基三甲氧基硅烷水解乙醇溶液，蠕虫与偶联剂溶液的重量比为1:0.3，偶联剂溶液的流量可以用流量泵控制，搅拌反应60分钟后，在一个小时内升温至75℃，继续搅拌60分钟，完成表面改性；

(3)加入25倍石墨蠕虫重量的润滑剂混合液，继续搅拌，该润滑剂混合液中马来酸酐接枝聚丙烯与增塑剂环氧大豆油、液体丁腈橡胶和二甲苯的重量比为10：5：10：100，得粘稠浆料，即为石墨蠕虫混合液浆料；

(4)改变转向螺带转动方向，使石墨蠕虫混合液浆料排出，同时启动浆料泵和高速分散机，转速每分钟2950转，开始循环剥离分散至平均粒径小于20μm，粒径的测试方法为激光粒径测试仪；

(5)添加导电乙炔炭黑，改性石墨烯与乙炔炭黑的重量比100：20，继续循环分散至平均粒径小于15μm，得纳米碳材复合浆料；取样，用二甲苯溶剂洗去树脂和增塑剂，用扫描电镜观察分散状况，参见图4所示放大倍率1万的sem电镜照片，显示改性石墨烯与导电炭黑的分散均匀；

(6)然后开启出料阀门出料，将纳米碳材复合浆料送入真空喷雾干燥塔；喷雾干燥塔的温度维持在80℃，真空压力为2kpa。溶剂蒸汽经低温冷凝回收，即得复合抗静电塑料浓缩母料，其中导电粉体的重量百分比约24％。

实施例2

(1)将50目630倍可膨胀石墨置于料斗内的通过螺杆进料送入电加热高温膨胀炉，经950℃高温加热膨胀处理，得比表面积70m²/g的石墨蠕虫，在吹入立式螺带加热搅拌釜，边搅拌边喷入50％的双氧水，蠕虫与双氧水的重量比为1：0.15，双氧水的流量可以用流量泵控制，持续搅拌50分钟，在一个小时内升温至105℃并维持60分钟，持续搅拌降温至50℃以下；

(2)继续搅拌蠕虫，喷入20％氨丙基三乙氧基硅烷水解乙醇溶液，蠕虫与偶联剂溶液的重量比为1:0.35，偶联剂溶液的流量可以用流量泵控制，搅拌反应60分钟后，在一个小时内升温至70℃，继续搅拌60分钟，完成表面改性；

(3)加入5倍石墨蠕虫重量的20混合溶液，继续搅拌，该溶液的马来酸酐接枝聚丙烯与增塑剂环氧大豆油、邻苯二甲酸二辛酯(dop)和二甲苯的重量比为10：10：10：100，得粘稠浆料，即为石墨蠕虫混合液浆料；

(4)改变转向螺带的转动方向，使即为石墨蠕虫混合液浆料排出，同时启动浆料泵和高速胶体磨均质机，转速每分钟2950转，开始循环剥离分散至平均粒径小于20微米，粒径的测试方法为激光粒径测试仪；

(5)添加碳纳米管，改性石墨烯与碳纳米管的重量比100：20，继续循环分散至平均粒径小于15μm，得纳米碳材复合浆料；用扫描电镜观察分散状况，参见图5所示放大倍率10万的sem电镜照片，显示改性石墨烯与碳纳米管、导电炭黑的分散均匀；

(6)然后开启出料阀门出料，将纳米碳材复合浆料送入真空喷雾干燥塔；喷雾干燥塔的温度维持在80℃，真空压力为2kpa。溶剂蒸汽经低温冷凝回收，即得复合抗静电塑料浓缩母料，导电粉体的重量百分比约20％。

实施例3

(1)将50目800倍可膨胀石墨置于料斗内的通过螺杆进料送入电加热高温膨胀炉，经1100℃高温加热膨胀处理，得比表面积81m²/g的石墨蠕虫，在吹入立式螺带加热搅拌釜，边搅拌边喷入30％的双氧水，蠕虫与双氧水的重量比为1：0.2，双氧水的流量可以用流量泵控制，持续搅拌60分钟，在一个小时内升温至105℃并维持50分钟，持续搅拌降温至50℃以下；

(2)继续搅拌蠕虫，喷入25％n-b(氨乙基)-c-氨丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，蠕虫与偶联剂溶液的重量比为1:0.4，偶联剂溶液的流量可以用流量泵控制，搅拌反应60分钟后，在一个小时内升温至75℃，继续搅拌60分钟，完成表面改性；

(3)加入26倍石墨蠕虫重量的混合溶液，继续搅拌，该溶液的马来酸酐接枝聚丙烯与增塑剂环氧大豆油、dop和二甲苯的重量比为10：10：10：100，得粘稠浆料，即为石墨蠕虫混合液浆料；

(4)改变转向螺带的转动方向，使浆料排出，同时启动浆料泵和高速胶体磨均质机，转速每分钟2950转，开始循环剥离分散至平均粒径小于20微米，粒径的测试方法为激光粒径测试仪；

(5)添加碳纳米管和乙炔炭黑，改性石墨烯与碳纳米管和乙炔炭黑的重量比100：25：25，继续循环分散至平均粒径小于15μm，得纳米碳材复合浆料；

(6)然后开启出料阀门出料，将纳米碳材复合浆料送入真空喷雾干燥塔；喷雾干燥塔的温度维持在80℃，真空压力为2kpa。溶剂蒸汽经低温冷凝回收，即得复合抗静电塑料浓缩母料，导电粉体的重量百分比约20％。

本发明制得的复合抗静电塑料浓缩母料的使用方法如下：

将实施例1-3制得的复合抗静电塑料浓缩母料添加至聚丙烯里，为了简化配方和减少其它因素的影响，没有添加其它成分在里面，且复合抗静电塑料浓缩母料与聚丙烯的重量比为8：100。用搅拌器将浓缩母料和聚丙烯颗粒混合均匀，采用双螺杆注塑机制备100x100x2mm电导率测试样件，按照国标gb1410测试，测试结果如表1所示，并采用未添加复合抗静电塑料浓缩母料的聚丙烯作为对比例：

表1.测试结果

由表1可以看出，添加较少比例(7.4wt％)的本发明抗静电塑料浓缩母料制得的聚丙烯材料，相对于对比例没有添加浓缩母料的聚丙烯材料具有更高的力学强度和更低的电阻率，其电阻率满足塑料制品的抗静电要求。

实施例2和实施例3制得的复合抗静电塑料浓缩母料的使用方法及性能与实施例1相当，不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。