石墨烯色母粒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種石墨烯色母粒，尤其是利用具有表面改質(zhì)層的奈米石墨烯片以改善與導(dǎo)電碳黑、塑料高分子之間的兼容性，進(jìn)而能均勻混合并提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
【背景技術(shù)】
[0002]如眾所周知，石墨烯(graphene)是以sp2混成軌域組成六角形蜂巢排列的二維晶體，厚度0.335nm,僅一個(gè)碳原子直徑，是目前世上最薄也是最堅(jiān)硬的材料，尤其擁有杰出的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性質(zhì)，其中機(jī)械強(qiáng)度可遠(yuǎn)高于鋼鐵百倍，而比重卻僅約鋼鐵的四分之一，因此，石墨烯是提升復(fù)合材料特性的極佳選擇之一。
[0003]然而，石墨烯本質(zhì)上非常容易聚集堆棧，因此，為得到高均勻性且層少數(shù)的石墨烯粉體，且能避免石墨烯薄片彼此不均勻地堆棧的現(xiàn)象，一直以來(lái)都是石墨烯在實(shí)際應(yīng)用上最主要的技術(shù)困難點(diǎn)。
[0004]高分子材料具有廣泛應(yīng)用性，但隨著科技快速發(fā)展，對(duì)材料性質(zhì)的要求亦日趨嚴(yán)格。傳統(tǒng)的單一高分子材料已無(wú)法滿足工業(yè)與科技業(yè)對(duì)材料同時(shí)在機(jī)械性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性與導(dǎo)熱、導(dǎo)電性的需求。以工程塑料的尼龍為例，雖然本身具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨耗與耐熱性等，但是吸濕性大、耐酸性差，尤其是容易氧化。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)受限。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，為改善高分子的性能，可結(jié)合塑料高分子與奈米材料以形成奈米復(fù)合材料，進(jìn)而減輕重量，改善加工性，提高機(jī)械強(qiáng)度，比如耐沖擊力，目前已廣泛的應(yīng)用于汽車、航天、信息、醫(yī)藥等工業(yè)，或甚至產(chǎn)生新性能，藉以拓展材料應(yīng)用領(lǐng)域，滿足未來(lái)科技發(fā)展對(duì)材料性能的需求。
[0006]在中國(guó)專利CN103073930A中，揭露一種烷基化功能石墨烯與尼龍66的復(fù)合材料，主要是將烷基化石墨烯與尼龍66鹽的水溶液，藉超音波震蕩混合后，以原位聚合法制得烷基化功能石墨烯與PA66母粒，其中所獲得的母粒可與PA66樹脂進(jìn)行熔融共混射出而獲得包含功能石墨烯的奈米復(fù)合材料。雖然此制程所得奈米復(fù)合材料較原PA66具有更優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)與熱分解溫度，但是需在塑料高分子進(jìn)行聚合作用時(shí)，便加入功能石墨烯，因此在制程應(yīng)用上缺乏彈性，不利于產(chǎn)業(yè)利用性。
[0007]如美國(guó)專利W02012151433A2所揭示的一種多層石墨烯與聚對(duì)苯二甲酸乙二脂(PET)的奈米復(fù)合材料,其制作方式是依如下步驟而進(jìn)行:首先,將剝離法(exfoliat1n)獲得的多層石墨烯與PET載體樹脂進(jìn)行混合而制得母粒(masterbatch);利用注塑成型或吹塑成型法，將此母粒與PET樹脂制作成PET與石墨烯奈米復(fù)合材料，可改善PET的機(jī)械強(qiáng)度。不過其缺點(diǎn)是，剝離法獲得的多層石墨烯，其表層具有較少的官能基，因而無(wú)法與樹脂形成有效的接合界面，而即使是先行制作為母粒型態(tài)，也依然無(wú)法有效提升石墨烯粉體在母體材料的分散性與界面特性。
[0008]此外，標(biāo)題為“CARBON NANOTUBE MASTERBATCH, PREPARAT1N THEREOF, AND USEIN FORMING ELECTRICALLY C10NDUCTIVE THERMOPLASTIC COMPOSIT1N” 的美國(guó)專利US20120241686A1提供將奈米碳管與蠟混合以形成母粒，并進(jìn)一步藉熔融方式而與聚合物進(jìn)行共混處理而制作導(dǎo)電熱塑性聚合物的方法。主要是利用具有奈米碳管的母粒以改善導(dǎo)電熱塑性聚合物的熔體流動(dòng)性質(zhì)，使熔體的導(dǎo)電熱塑性聚合物更容易加工成型。但是其缺點(diǎn)在于，奈米碳管的表面未經(jīng)修飾，因此與蠟進(jìn)行混合時(shí)較不易分散均勻，導(dǎo)致無(wú)法完全展現(xiàn)奈米碳管的特性。
[0009]關(guān)于另一美國(guó)專利US20130214211A1，主要是將導(dǎo)電碳材加入熱塑性或熱固性材料中而制作出具有導(dǎo)電性的母粒，因此母粒在進(jìn)行后續(xù)加工制程時(shí)可消除靜電，具有抗靜電的效果，進(jìn)而能降低制程的危險(xiǎn)性。此專利的導(dǎo)電碳材使用碳黑、碳纖維、石墨烯和奈米碳管。但是在缺少潤(rùn)滑劑與表面改質(zhì)的條件下，不論是直接加入熱塑性或熱固性材料當(dāng)中，或是先行制作母粒，其導(dǎo)電碳材的均勻程度仍舊不佳，使得抗靜電的功效相當(dāng)有限。
[0010]因此，非常需要一種創(chuàng)新的石墨烯色母粒，利用石墨烯上改質(zhì)表面的官能基以提高與樹脂的官能基的兼容性，進(jìn)而提高兩者界面結(jié)合的強(qiáng)度，有效提升復(fù)合材料的機(jī)械特性，藉以解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的主要目的在于提供一種石墨烯色母粒，主要包括載體樹脂、導(dǎo)電碳黑、奈米石墨烯片以及潤(rùn)滑分散劑，且分別占整體重量的l-20wt %,20-40wt %、20-50wt%及l(fā)-15wt%，可與塑料高分子進(jìn)行共同混煉射出以形成塑料高分子母體，亦即復(fù)合材料基材。
[0012]具體而言，載體樹脂為色母粒基體，可包含聚烯烴、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的至少其中之一，而導(dǎo)電碳黑具有導(dǎo)電性。此外，潤(rùn)滑分散劑的作用為促使奈米石墨烯片均勻分散而不凝聚，可包含聚乙烯蠟、硬脂酸酰胺、聚酰胺蠟、白礦油、聚丙烯蠟、聚乙烯蠟、醋酸乙烯酯蠟、石蠟、聚己二酸乙二醇酯、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅以及聚乙烯丙烯酸甲酯的至少其中之一。
[0013]尤其是，奈米石墨烯片具有表面改質(zhì)層，主要是由包含偶合劑的表面改質(zhì)劑藉披覆而形成于奈米石墨烯片的表面，更加具體而言，偶合劑包含親水性及親油性官能基，使得奈米石墨烯片能與導(dǎo)電碳黑及載體樹脂產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)而結(jié)合。
[0014]由于奈米石墨烯片上的表面改質(zhì)層可使奈米石墨烯片均勻分散于載體樹脂中，因而當(dāng)本發(fā)明的石墨烯色母粒與塑料高分子進(jìn)行共同混煉射出以形成復(fù)合材料基材時(shí)，石墨烯片可有效均勻分散于復(fù)合材料基材中，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提升整體復(fù)合材料基材的機(jī)械特性、抗氧化、耐酸堿、導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下配合結(jié)構(gòu)式及組件符號(hào)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說(shuō)明，以使熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在研讀本說(shuō)明書后能據(jù)以實(shí)施。
[0016]本發(fā)明的石墨烯色母粒主要是包括載體樹脂、導(dǎo)電碳黑、多個(gè)奈米石墨烯片以及潤(rùn)滑分散劑，且分別占整體重量的l_20wt %、20-40wt %、20-50wt %及l(fā)_15wt %，可用以結(jié)合塑料高分子而進(jìn)行共同混煉射出處理，藉以形成塑料高分子母體，亦即復(fù)合材料基材。
[0017]載體樹脂本身是當(dāng)作色母?；w，一般可包含聚烯烴(Polyolefin)、聚酯(Polyester)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)的至少其中之一，尤其是，聚烯烴可選自低密度聚乙烯(LDPE)。
[0018]此外，導(dǎo)電碳黑具有導(dǎo)電性，且其平均粒徑小于lum，并具有大于60m2/g的比表面積。在此，導(dǎo)電碳黑的目的主要在于可提高復(fù)合材料基材中含碳添加劑的含量，使得復(fù)合材料基材成形時(shí)可進(jìn)一步提升整體特性。理由是，石墨烯片為具有高比表面積的奈米材料，亦即石墨烯片的體積龐大，相對(duì)而言，其堆積密度非常低，在此情形下制作色母粒時(shí)，石墨烯片的可添加濃度相當(dāng)有限，而導(dǎo)電碳黑可改善此一問題。導(dǎo)電碳黑的另一目的在于石墨烯片本身為二維平面結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)電碳黑是三維顆粒狀結(jié)構(gòu)，因此可透過不同形貌的添加劑組合，而更容易在塑料母體內(nèi)形成有效網(wǎng)絡(luò)，可在最低的添加量下達(dá)成更高特性的功效。
[0019]具體而言，潤(rùn)滑分散劑的主要作用為促使奈米石墨烯片均勻分散而不凝聚，可包含聚乙烯蠟、硬脂酸酰胺、聚酰胺蠟、白礦油、聚丙烯蠟、聚乙烯蠟、醋酸乙烯酯蠟、石蠟、聚己二酸乙二醇酯、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅以及聚乙烯丙烯酸甲酯的至少其中之一。
[0020]