专利名称：静电消散性热塑性聚合物组合物的制作方法
技术领域：
具有静电消散性能的热塑性聚合物组合物含有特定量的碳纤维和炭黑。
背景技术：
热塑性聚合物是多用途材料，其可以模塑为各种复杂的形状。这种材料的绝大多数不导电，事实上是良好的电绝缘体。然而，向这些聚合物中加入充足量的导电填料通常会产生出具有(某种程度)导电性的组合物。在这两个极端之间，加入中间量的导电填料以提供约104-约1013欧姆/平方的表面电阻率，形成的组合物仍相对绝缘，但易于消散静电，这使它们对于与电子设备接触或靠近的部件具有价值。这样的组合物还可以用于电磁干扰(EMI)屏蔽。
如美国专利5,820,788及其参考文献所描述，在这些组合物中将碳纤维用作导电填料。然而，组合物的确切表面电阻率(尤其)依赖于所用的碳纤维的确切性质和用量和那些纤维的(平均)长度。在这些组合物的熔体加工过程中，长度难以控制，因此难以制备处于特定表面电阻率范围内的材料。专利5,820,788通过采用降低含碳量，因而降低导电性的碳纤维解决了这一问题，但是其具有的缺点是需要特殊的碳纤维和不同的碳纤维以获得不同的表面电阻率。因而需要能够重现地制备静电消散性聚合物组合物的新方法。
欧洲专利申请1,061,597描述了含有炭黑和碳纤维的热塑性聚合物组合物。现已报道的组合物都不含本文要求保护范围内的这些填料。
发明内容
本发明涉及一种组合物，其包含热塑性聚合物，约5.0-约10体积％的碳纤维和约8-约25体积％的炭黑，其中所述体积百分数基于所述组合物的总体积计。
具体实施例方式
本发明的组合物含有热塑性聚合物。可以通过将热塑塑料熔融，然后冷却至熔点和/或玻璃化转变温度以下而对这些聚合物进行再模塑。这些聚合物是未经过交联的。当通过示差扫描量热法测量时，通常它们具有高于30℃的熔点和/或玻璃化转变温度，将熔融吸热峰取作熔点，将转变的中点作为玻璃化转变温度。可以按照ASTM方法D3418进行这些测量。
可用的热塑塑料包括聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯；聚(甲基)丙烯酸酯，如聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚酯，如聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚(对苯二甲酸1，4-丁二酯)和聚(对苯二甲酸1，3-丙二酯)；聚酰胺，如尼龙-6和尼龙-6，6；聚醚，如聚(苯醚)；聚碳酸酯；聚(醚-砜)；聚(醚-酰亚胺)；聚硫醚，如聚(对苯硫醚)；液晶聚合物，如芳族聚酯、聚(酯-酰亚胺)和聚(酯-酰胺)；聚(醚-醚-酮)；聚(醚-酮)；含氟聚合物，如聚四氟乙烯、四氟乙烯和全氟(甲基乙烯基醚)的共聚物、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物和乙烯与氟乙烯的共聚物；聚甲醛；聚氯乙烯；ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)及其混合物和共混物。
优选热塑性聚合物(或如果存在一种以上，全部热塑性聚合物的总量)占组合物的至少40体积％，更优选至少60体积％。
所用的碳纤维通常是切短纤维或短纤维的形式，一般为约0.1-约6mm长。所述碳纤维优选是含碳量相对较高(＞90重量％)且(对碳纤维而言)电阻相对较低的纤维。可以将所述纤维在适当的混合器中直接加入热塑性聚合物中(参见下面)，或者可以以母料的形式加入。本发明的组合物含有约5.0-约10.0体积％的碳纤维，优选约6.0-约9.0体积％。本文中所有的体积百分数均基于组合物的总体积计，其为组合物所有成分的体积，包括非碳纤维、炭黑和热塑塑料而存在的那些。
所用的炭黑可以是用于混入热塑塑料的任何炭黑。可以将所述炭黑在适当的混合器中直接加入热塑性聚合物中(参见下面)，或者可以以母料的形式加入。本发明的组合物含有约8-约25体积％的炭黑，优选约10-约21体积％。
热塑性聚合物的优选种类是液晶聚合物(LCP)。“液晶聚合物”指的是在采用TOT试验或其任何合理变型测试时呈现各向异性的聚合物，如美国专利4,118,372所描述，在此将其引入作为参考。有用的LCP包括聚酯、聚(醚-酰胺)和聚(酯-酰亚胺)。聚合物的一种优选形式是全芳族的，即聚合物主链中的全部基团都是芳族的(除了连接基团，如酯基)，但是可以存在非芳族侧基。适宜的热塑性LCP例如描述于美国专利3,991,013，3,991,014，4,011,199，4,048,148，4,075,262，4,083,829，4,118,372，4,122,070，4,130,545，4,153,779，4,159,365，4,161,470，4,169,933，4,184,996，4,189,549，4,219,461，4,232,143，4,232,144，4,245,082，4,256,624，4,269,965，4,272,625，4,370,466，4,383,105，4,447,592，4,522,974，4,617,369，4,664,972，4,684,712，4,727,129，4,727,131，4,728,714，4,749,769，4,762,907，4,778,927，4,816,555，4,849,499，4,851,496，4,851,497，4,857,626，4,864,013，4,868,278，4,882,410，4,923,947，4,999,416，5,015,721，5,015,722，5,025,082，5,086,158，5,102,935，5,110,896，和5,143,956，和欧洲专利申请356,226。所述组合物可以以通常用于该组合物的量含有一般加入热塑塑料中的其它成分，如填料、增强剂、增塑剂、阻燃剂、抗氧化剂、抗臭氧剂、润滑剂、成核剂。
可以通过一般用于制备含有热塑性聚合物的组合物的方法将组合物的成分混合。例如，所述成分可以进料到单或双螺杆挤出机中，其中将热塑性聚合物熔融并与其它成分混合，当然包括碳纤维和炭黑。在离开挤出机时，可以将聚合物模塑为线材并切割成粒料以供未来使用，或者可以直接模塑为成型部件，如通过进料入注塑机。优选混合过程中将碳纤维长度(如果尚未是相对较短)磨成某一平均长度，这样进一步的加工(例如在成型中)通常不会造成纤维长度的进一步缩短。由于组合物的导电性部分地依赖于碳纤维的平均纤维长度，优选组合物的表面电阻率在进一步的加工中是基本不变的。然而，不希望将碳纤维缩短至使它们仅充当类似碳粉或炭黑作用的地步。对加工强度(例如螺杆构型、螺杆速度等)的简单试验可以确定如何进行加工。
当通过ASTM法D257测量时，优选所述组合物具有约104-约1013欧姆/平方的表面电阻率，更优选约109-约1012欧姆/平方。获得所需表面电阻率的一种方法是将碳纤维加入聚合物，然后加入足够的炭黑，其量易于通过试验确定，以将表面电阻率降低至希望的值。通过采用该二元填料体系，可以在宽范围内将表面电阻率调节至任意值。令人吃惊的是，当制备本文描述的组合物时，在重复的生产过程中，相当容易并可重现地获得了所需的表面电阻率，而这对采用单一的导电填料是难以获得的。成型条件也会影响所制得的部件的表面电阻率，但是易于确定获得所需电阻率的成型条件。对各向异性的液晶聚合物而言，优选在纵向和横向的表面电阻率都在上述范围以内。
本发明的组合物可以用于需要静电消散和/或EMI屏蔽效果的部件。这样的用途包括电子设备如计算机、汽车零部件、复印机和打印机的箱体。
实施例1-5和对比例A所用LCP与美国专利5,110,896中的LCP-4相同，将该专利引入本文作为参考。所用的碳纤维(CF)是Panex33CF碳纤维(购自Zoltek Corp.)，所用的玻璃纤维(GF)是Owens Corning grade 408Owen s Corning Fiberglass，Toledo，OH，USA，炭黑浓缩体(CBC)是美国专利5,110,896中LCP-9的20重量％炭黑母料，从ClarientCorporation，Charlotte，NC，U.S.A.获得。每个实施例中每种成分的重量示于表1中。
采用Werner and Pfliederer 40mm bilobal双螺杆挤出机成型所述组合物。在后部进料LCP、CF和炭黑浓缩体，玻璃纤维在侧面进料。该挤出机具有一个不加热的进料机筒(定为#1)和九个加热的进料筒。该挤出机的螺杆结构由输送元件组成，捏合元件加装在#3筒内，以熔融聚合物并混合各种成分，接着是#4筒内的真空排气段。#5筒内有侧进料器，之后是第二套捏合元件。在#8筒内有第二真空排气段。最后的筒装有线材模头，在水浴中快速冷却熔融的线材并进料到线材切割机中制备直径约0.32cm、长度约0.32cm的粒料。挤出机机筒加热设定值为345℃，模头加热器设定为350℃。
在热空气烘箱中于125℃将所述粒料干燥过夜，然后成型为0.32cm厚的棒材。注塑机是6oz.HPM机，模具温度设定为65℃或110℃。
采用ASTM方法D-257在室温下测定表面电阻率并报告在表1中(CB是炭黑)。在成型棒材的纵向(流动方向)和横向(垂直于流动的方向)进行测量。
表1
a包括炭黑浓缩体中的LCP。
权利要求
1.一种组合物，包含热塑性聚合物，约5.0-约10体积％的碳纤维和约8-约25体积％的炭黑，其中所述体积百分数基于所述组合物的总体积。
2.权利要求1中的组合物，其中所述碳纤维占所述组合物的约6.0-约9.0体积％。
3.权利要求1中的组合物，其中所述碳纤维为约0.1mm-约6.0mm长。
4.权利要求1中的组合物，其中所述炭黑占所述组合物的约10-约21体积％。
5.权利要求1中的组合物，其中所述热塑性聚合物占所述组合物的至少约40体积％。
6.权利要求1中的组合物，其中所述碳纤维占所述组合物的约6.0-约9.0体积％，所述碳纤维为约0.1mm-约6.0mm长，所述炭黑占所述组合物的约10-约21体积％，且所述热塑性聚合物占所述组合物的至少约40体积％。
7.权利要求1中的组合物，其中所述热塑性聚合物选自聚烯烃，聚(甲基)丙烯酸酯，聚酯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚(醚-砜)，聚(醚-酰亚胺)，聚硫醚，液晶聚合物，聚(醚-醚-酮)，聚(醚-酮)，含氟聚合物，聚甲醛，聚氯乙烯和ABS，及其混合物和共混物。
8.权利要求1中的组合物，其中所述热塑性聚合物是液晶聚合物。
9.权利要求1中的组合物，其具有约104-约1013欧姆/平方的表面电阻率。
10.权利要求1中的组合物，其具有约109-约1012欧姆/平方的表面电阻率。
全文摘要
通过向热塑性聚合物中混入特定量的碳纤维和炭黑，可以容易并重现地制备含有热塑性聚合物并具有约10
文档编号H01B1/00GK1669094SQ03817125
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月25日
发明者M·G·瓦戈纳, W·J·哈辛克 申请人:纳幕尔杜邦公司