專利名稱：一種低成本低添加導電尼龍6復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱塑性工程塑料，特指一種成本低添加導電尼龍6復合材料及其制備方法。
背景技術：
尼龍-6是一種性能優(yōu)異的熱塑性工程塑料，較好的力學性能，良好的耐化學腐蝕等特性，在工業(yè)領域和日常生活中應用廣泛HMPA-6的表面電阻高，導電能力差，表面極易因摩擦而積聚靜電荷從而影響PA-6的應用；如果賦予PA-6良好的導電導熱性，在煤礦、石油、化工、紡織、電子及半導體工業(yè)等領域，PA-6可以替代部分導電材料，對降低生產(chǎn)成本、提聞生廣效益具有重要的意義。通常采用加入導電填料的方式改善尼龍的電性能。中國專利CN201010171713.6，CN201210342929.3,CN201210066274.1等分別公開了現(xiàn)階段對尼龍材料電性能的一些改善方法，但是這些專利均存在一些問題，采用母粒法雖然可以使得導電填料在基體中的較好分散，但是增加了生產(chǎn)步驟，而且多次加工會對材料的力學性能等產(chǎn)生較高的負面作用；采用直接聚合的方法雖然填料添加量較少，但是生產(chǎn)設備往往比較巨大，產(chǎn)品靈活性不足；而采用碳納米管等功能填料對材料進行改性需要面對現(xiàn)今高昂的原料價格，同時采用傳統(tǒng)的塑料改性加工工藝很難達到納米管顯示特異優(yōu)秀效果所需的分散尺度，所以亦不適合大范圍使用。自2004年Geim等發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，以其優(yōu)異的性能得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注；石墨烯不僅擁有優(yōu)異的電性能，導熱性能和機械強度，以及獨特的量子霍爾效應，量子隧穿效應等，可以用來制備高性能的導電復合高分子材料。層數(shù)超過10層的多層石墨烯結(jié)構(gòu)被稱為石墨烯微片(GNPs)，具有超大的形狀比，作為導電填料使用時，有利于在聚合物內(nèi)形成導電通路，導電逾滲閾值大為降低，而且石墨烯與炭黑共同協(xié)同作用可以減少導電填料的添加量，同時由于石墨烯微片的分散尺度較碳納米管高的多，而通過水熱法等可以成熟而廉價的制備石墨烯，因此可以大幅降低導電材料的成本。雖然已經(jīng)有報道稱聚合物中添加導電填料可以賦予聚合物導電性能，石墨烯的導電性能也很優(yōu)異，但是本發(fā)明使用的是石墨烯微片，為石墨烯的聚集體，價格比石墨烯便宜的多；其次雖然添加更低成本的炭黑作為導電填料來降低材料成本的手段很常用，但是添加配比才是本專利的獨特之處，實際上本專利背后是利用理論對最大導電通路數(shù)量進行了理論推導才確定了比例關系，從而使得填料的比例運用不再是盲目的；“層數(shù)超過10層的多層石墨烯結(jié)構(gòu)被稱為石墨烯微片(GNPs)，具有超大的形狀比，作為導電填料使用時，有利于在聚合物內(nèi)形成導電通路，導電逾滲閾值大為降低，”不能算作公知常識，首先石墨烯微片作為單獨的主體仍未被廣泛認識，到是兩個極端即石墨和單層石墨烯比較背大眾熟知，對于特定尺寸范圍的低成本石墨烯微片，大眾仍然很少給予足夠的關注和有效利用。
現(xiàn)今的多數(shù)導電高分子的制備工藝是依賴材料中的導電填料相互搭接，形成導電網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)材料導電的，從這種導電原理上我們可以推論，不同比表面積的導電填料相互協(xié)作，可以降低導電填料的需求量，改善材料加工特性等，同時會對極限電阻率產(chǎn)生影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對理論推測進行了驗證后進行應用，提供一種低成本低添加導電尼龍6復合材料的制備方法，通過該方法制備的導電尼龍6復合材料具有導電性好，成本低，填料添加量少等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:
一種低成本低添加導電尼龍6復合材料，其組成成分和重量份數(shù)配比為:尼龍6 95份、導電炭黑1-5份、石墨烯微片1-5份。其中所述尼龍6為中、低粘度尼龍6，特性粘數(shù)2.2-2.9，相對分子質(zhì)量1.3-1.6萬。其中所述導電炭黑比表面積X為10 < X < 50m2/g、50 < X < 100 m2/g、100
<X ^ 1000 m2/g中的一種；或二種按照1:n質(zhì)量比混合，η為1_5之間的整數(shù)；或三種按照1:η:η2的質(zhì)量比混合，η為1-5之間的整數(shù)。其中所述石墨烯微片的碳層數(shù)多于10層、厚度在5-100納米范圍內(nèi)，徑向?qū)挾炔坏陀?0微米。低成本低添加導電尼龍6復合材料的制作方法，按照下述三種方式進行:
(I)按照所述比例稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，在高速混合機中混合均勻，使用雙螺桿擠出機擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。(2)按照所述比例稱取尼龍6和石墨烯微片，在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機擠出造粒；稱取經(jīng)過干燥的前述步驟得到的復合材料粒子和導電炭黑，在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。(3)按照所述比例稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料雙螺桿擠出機，由主喂料口喂入尼龍6，第一輔助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入導電炭黑，擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。有益效果:本發(fā)明通過選擇合適的石墨烯微片、導電炭黑，采用特定配方組合，和特定的加工設備和工藝，制備了具有低成本、低添加、導電的尼龍6復合材料，本發(fā)明得到的復合材料不僅賦予了尼龍6優(yōu)異的導電特性，而且降低了成本，減少了導電填料的用量。
具體實施例方式以下通過具體實例來說明本發(fā)明，本發(fā)明包括但不限于這些實例。在下列實施例的復合材料配方中，尼龍6選用中低粘度的尼龍6，特性粘數(shù)
2.2-2.9，相對分子質(zhì)量1.3-1.6萬，例如廣東新會美達錦綸股份有限公司新會德華尼龍切片有限公司生產(chǎn)的，商品牌號m2800 ;導電炭黑選用比表面積為10-50 m2/g的例如特密高比利時公司生產(chǎn)的，商品牌號150G，比表面積為50-100 m2/g的例如特密高比利時公司生產(chǎn)的，商品牌號250G，比表面積為100-1000 m2/g的，例如特密高比利時公司生產(chǎn)的，商品牌號350G ;石墨烯微片選用碳層數(shù)多于10層、厚度在5-100納米范圍內(nèi)，徑向?qū)挾瓤蛇_數(shù)個到數(shù)十個微米，具有超大的形狀比(直徑/厚度比)的超薄的石墨烯層狀堆積體，例如寧波墨西科技有限公司生產(chǎn)的，商品牌號Morsh-P2。實施例1
配方:尼龍6 950g，導電炭黑總重40g (比表面積10-50 m2/g、50_100 m2/g、100-1000m2/g的導電碳黑依次按照1:2:4稱取)，石墨烯微片IOg ;尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，在高速混合機中混合lOmin，使用雙螺桿擠出機擠出造粒(可增加螺桿剪切捏合段長度)擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235°C，240°C，240°C，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié)果如表I。實施例2
配方:尼龍6 950g，導電炭黑總重30g (比表面積10-50 m2/g、100-1000 m2/g的導電碳黑按照1:4稱取)，石墨稀微片20g ;尼龍6、導電炭黑和石墨稀微片，在聞速混合機中混合lOmin，使用雙螺桿擠出機擠出造粒(可增加螺桿剪切捏合段長度)擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230 V，235 V，235 V，240 V，240 V，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié) 果如表I。實施例3
配方:尼龍6 950g，導電炭黑總重40g (比表面積10-50 m2/g、50_100 m2/g、100-1000m2/g的導電碳黑依次按照1:4:16稱取),石墨烯微片IOg ;尼龍6和石墨烯微片，在高速混合機中混合lOmin，使用雙螺桿擠出機擠出造粒(可增加螺桿剪切捏合段長度)擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235°C，240°C，240°C，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm，得到導電尼龍6復合材料粒子；將前述步驟得到的復合材料粒子進行干燥，與導電炭黑在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機在相同的工藝參數(shù)下擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié)果如表I。實施例4
配方:尼龍6 950g，導電炭黑總重30g (比表面積10-50 m2/g、50_100 m2/g、100-1000m2/g的導電碳黑依次按照1:3:9稱取),石墨烯微片20g ;尼龍6和石墨烯微片,在高速混合機中混合lOmin，使用雙螺桿擠出機擠出造粒(可增加螺桿剪切捏合段長度)擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235°C，240°C，240°C，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm，得到導電尼龍6復合材料粒子；將前述步驟得到的復合材料粒子進行干燥，與導電炭黑在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機在相同的工藝參數(shù)下擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié)果如表I。實施例5配方:尼龍6 950g，導電炭黑總重40g (50-100 m2/g、100-1000 m2/g的導電碳黑按照I: 5稱取)，石墨烯微片IOg ;稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料雙螺桿擠出機，由主喂料口喂入尼龍6，第一輔助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入導電炭黑，擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235°C，240°C，240°C，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm,擠出造粒,得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié)果如表I。實施例6
配方:尼龍6 950g,導電炭黑總重30g (比表面積50-100 m2/g),石墨烯微片20g ;稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料雙螺桿擠出機，由主喂料口喂入尼龍6，第一輔助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入導電炭黑，擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235°C，240°C，240°C，螺桿轉(zhuǎn)速200rpm，擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。得到的導電尼龍6復合材料使用平板硫化機以245°C，15MP壓成Imm厚度片材，裁為標準試樣后測試電導率參數(shù)，測試結(jié)果如表I。將實施例1-6所得試樣進行電性能測試，結(jié)果如下:
權利要求
1.一種低成本低添加導電尼龍6復合材料，其特征在于:其組成成分和重量份數(shù)配比為:尼龍6 95份、導電炭黑1-5份、石墨烯微片1-5份。
2.如權利要求1所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料，其特征在于:所述尼龍6為中、低粘度尼龍6，特性粘數(shù)2.2-2.9，相對分子質(zhì)量1.3-1.6萬。
3.如權利要求1所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料，其特征在于:所述導電炭黑按照比表面積 X 選擇 10 < X < 50m2/g、50 < x ^ 100 m2/g、100 < x ^ 1000 m2/g 中的一種；或二種按照1:n質(zhì)量比混合，η為1-5之間的整數(shù)；或三種按照1:η:η2的質(zhì)量比混合，η為1-5之間的整數(shù)。
4.如權利要求1所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料，其特征在于:所述石墨烯微片的碳層數(shù)多于10層、厚度在5-100納米范圍內(nèi)，徑向?qū)挾炔坏陀?0微米。
5.如權利要求1所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料的制備方法，其特征在于按照下述三種方式的其中一種進行: (1)按照所述比例稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，在高速混合機中混合均勻，使用雙螺桿擠出機擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料； (2)按照所述比例稱取尼龍6和石墨烯微片，在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機擠出造粒；稱取經(jīng)過干燥的前述步驟得到的復合材料粒子和導電炭黑，在高速混合機中混合均勻后，使用雙螺桿擠出機擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料； (3)按照所述比例稱取尼龍6、導電炭黑和石墨烯微片，采用分段式喂料雙螺桿擠出機，由主喂料口喂入尼龍6，第一輔助喂料口喂入石墨烯微片，第二喂料口喂入導電炭黑，擠出造粒，得到低成本低添加導電尼龍6復合材料。
6.如權利要求5所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料的制備方法,其特征在于:使用雙螺桿擠出機擠出造粒，擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，235°C，235 °C，240 °C，240 °C，螺 桿轉(zhuǎn)速 200rpm。
7.如權利要求5所述的一種低成本低添加導電尼龍6復合材料的制備方法，其特征在于:采用分段式喂料雙螺桿擠出機，擠出機設定溫度為，喂料段至機頭分別為230°C，·235 °C，235 °C，240 °C，240 °C，螺桿轉(zhuǎn)速 200rpm。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱塑性工程塑料，特指一種成本低添加導電尼龍6復合材料及其制備方法。本發(fā)明通過選擇合適的石墨烯微片、導電炭黑，采用特定配方組合，和特定的加工設備和工藝，制備了具有低成本、低添加、導電的尼龍6復合材料，本發(fā)明得到的復合材料不僅賦予了尼龍6優(yōu)異的導電特性，而且降低了成本，減少了導電填料的用量。
文檔編號C08K3/04GK103194059SQ201310117659
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權日2013年4月7日
發(fā)明者李錦春, 仝雪飛, 張鑫 申請人:常州大學