專利名稱：一種炭黑母粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑料領(lǐng)域，進(jìn)一步地說，是涉及一種炭黑母粒及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著塑料工業(yè)的迅猛發(fā)展，尼龍、聚酯、聚碳酸酯及ABS等工程塑料廣泛應(yīng)用于汽車、家用電器及日用消費(fèi)品等領(lǐng)域，出于產(chǎn)品外觀及耐候性等要求，黑色工程塑料制品的比例不斷提聞。工程塑料黑色混配料的生產(chǎn)有兩種方法一是直接在樹脂中添加炭黑生產(chǎn)混配料，二是用炭黑色母粒生產(chǎn)混配料。由于環(huán)保、性能及使用性等方面的優(yōu)勢(shì)，炭黑母粒的著 色方式得到最廣泛的應(yīng)用。眾所周知,炭黑是一種納米材料,其原生粒徑一般在15_120nm之間，是高效紫外線吸收劑和光屏蔽劑。炭黑原生粒徑越小、炭黑的含量越高、炭黑的分散性越好，炭黑母粒的著色力和黑度越高；同時(shí)母粒中炭黑的含量越高，添加比例越小，成本越低，對(duì)工程塑料性能的影響也越小。炭黑的粒徑越小，炭黑含量越高，其比表面積就越大，炭黑聚集體之間的分子間作用力越強(qiáng)，越不容易分散，目前最通用技術(shù)是在配方中添加較高含量的聚乙烯蠟、EBS等低分子潤(rùn)滑劑以提高炭黑的分散性。低分子潤(rùn)滑劑的加入，必然會(huì)使材料拉伸屈服強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度性能顯著下降。因此不使用低分子分散劑，采用特殊的分散體系，制備高黑度、高性能炭黑母粒，一直是本領(lǐng)域一項(xiàng)難以解決的問題，也是本發(fā)明著重解決的問題。由于聚乙烯與聚丙烯同為非極性聚烯烴材料，因此聚乙烯炭黑母粒在聚丙烯體系中可以成功應(yīng)用，但由于基體樹脂的相容性原因，在ABS、尼龍、聚酯等工程塑料中，很低的炭黑母粒含量就使工程塑料的性能下降很大。而采用與同種工程塑料相同的基體樹脂制備炭黑母粒，可以減少由于樹脂相容性問題而引起的性能下降，但由于與其他工程塑料的相容性問題，使其適用范圍很窄。如AS炭黑母?？梢杂糜贏S、ABS產(chǎn)品中，卻無法用于聚丙烯、尼龍、聚酯等產(chǎn)品中；尼龍6炭黑母?？梢杂糜谀猃?及尼龍66產(chǎn)品中，但無法用于聚丙烯、ABS、聚酯等產(chǎn)品中。同時(shí)由于分子鏈特性等方面的原因，并不是每各種程塑料都可以用于生產(chǎn)高含量、高分散的優(yōu)質(zhì)炭黑母粒。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種炭黑母粒及其制備方法，本發(fā)明的炭黑母粒與非極性聚合物都有良好的相容性，能夠應(yīng)用于尼龍、聚酯及ABS等極性聚合物中。本發(fā)明的目的之一是提供一種炭黑母粒。包括共混的以下組分聚乙烯樹脂100重量份
炭黑50 150 重量份
雙親梳型聚合物增容劑 0.1 14 重量份 碳氟聚合物0 10重量份基體樹脂的類型對(duì)塑料制品的物理機(jī)械性能有很大的影響，直接影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期使用性能。通常汽車和電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)品基體樹脂為聚丙烯、ABS和尼龍等制品。針對(duì)其樹脂本身極性各不相同，本發(fā)明采用線性低密度聚乙烯、超低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯中的任意一種或其組合為炭黑母粒的基體樹脂，優(yōu)選為低密度聚乙烯?；w樹脂的熔體流動(dòng)速率大于5g/10min(190°C，2. 16kg);從炭黑的分散性考慮，優(yōu)選為大于 10g/10min(190°C,2. 16kg)。炭黑的選擇關(guān)系到炭黑在基體樹脂中的分散性及色母加工性能，同時(shí)它也是影響 產(chǎn)品外觀和表面光澤度的關(guān)鍵因素。以上所述組分中的炭黑可包括現(xiàn)有技術(shù)中所公開的各種類型炭黑。對(duì)要求高黑度的注塑制品而言，一般選擇平均原生粒徑為15 120nm的炭黑。本發(fā)明聚乙烯色母中炭黑平均原生粒徑小于等于lOOnm，優(yōu)選為15 50nm。所選炭黑的揮發(fā)組分為炭黑表面吸附的含氧官能團(tuán)(羧基、羥基)，揮發(fā)組分含量小于3.5wt. %。以聚乙烯樹脂重量為100份計(jì)算，炭黑的含量為50 150份，優(yōu)選為50 130份，更優(yōu)選為80 100 份。所述雙親梳型聚合物增容劑的主鏈?zhǔn)峭ㄟ^自由基聚合反應(yīng)得到的具有高反應(yīng)活性極性側(cè)基的丙烯酸酯系列聚合物衍生物，而梳型非極性側(cè)基是在主鏈上接枝的長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)，雙親梳型聚合物增容劑的主鏈為丙烯酸酯系列聚合物衍生物，其成分為丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥乙酯中的一種或組合物；長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)是1-癸醇、1-十二醇、1-十八醇、1-十二胺、1-十八胺、硬脂酸、油酸中的一種或組合物。增容劑含量為0.1 14份，優(yōu)選為0. 5 11份。雙親梳型聚合物增容劑中極性主鏈部分側(cè)鏈或鏈端上帶有具有反應(yīng)活性的羧基官能團(tuán)。在熔融共混過程中，聚合物增容劑中主鏈的活性官能團(tuán)和炭黑表面的羧基、氨基及羥基等官能團(tuán)發(fā)生原位接枝化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵力而牢固結(jié)合。非極性側(cè)鏈和炭黑母粒的聚乙烯基體樹脂有良好的相容性，分子鏈之間互相纏繞在一起，這樣炭黑母粒的聚乙烯基體樹脂和炭黑之間的界面強(qiáng)度可以大大提高。界面強(qiáng)度的提高，一方面可以傳遞更高的分散剪切力，減少大尺寸炭黑凝聚體的數(shù)量，進(jìn)一步提了高炭黑的分散性，炭黑母粒的黑度更高；另一方面，炭黑和基體樹脂之間的強(qiáng)度也就越高，材料的物理機(jī)械性能也就越好。同時(shí)該相容劑的極性基團(tuán)還可以與尼龍、聚酯等工程塑料的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高炭黑母粒與極性工程塑料的相容性，可以在一定程度上改善工程塑料的物理機(jī)械性能。碳氟聚合物加工助劑(Polymer Processing Additives)做為炭黑的分散劑。PPA包括碳氟均聚物和碳氟共聚物，為偏氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯中的至少一種或幾種單體的均聚物或共聚物，優(yōu)選為偏氟乙烯與四氟乙烯的共聚物。以聚乙烯樹脂重量為100份計(jì)算，含量為0 10份，優(yōu)選為0.01 10份，更優(yōu)選為0.5 8份。采用PPA作為炭黑的分散劑，1000PPM的添加量就可以明顯提高炭黑母粒的黑度。而采用現(xiàn)有技術(shù)中的聚乙烯蠟、EBS等分散劑，需更大的用量，會(huì)影響工程塑料的性能。作為炭黑的分散劑，同傳統(tǒng)的聚乙烯蠟等分散劑相比，很小量的高分子碳氟聚合物，就可以達(dá)到良好的分散效果。炭黑母粒的混煉過程中，碳氟聚合物向炭黑表面富集，不與聚乙烯基體樹脂發(fā)生反應(yīng)，在炭黑聚集體之間形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)界面層，大大地削弱了炭黑分散過程的二次凝聚效應(yīng)，炭黑凝聚體的尺寸變小，數(shù)目明顯減少，從而提高了炭黑在基體樹脂中的分散性。與傳統(tǒng)的低分子蠟分散劑不同，碳氟聚合物為高分子量聚合物，同時(shí)添加量很小，因此不會(huì)對(duì)工程塑料的物理機(jī)械性能產(chǎn)生影響。本發(fā)明的目的之二是提供一種炭黑母粒的制備方法。包括將所述組分按所述用量熔融共混后制得所述炭黑母粒。具體地，將所述聚乙烯樹脂、炭黑在內(nèi)的組分按所述份數(shù)在密煉機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)中熔融共混，混合均勻后出料而制得所述炭黑母粒。 以上所述的本發(fā)明炭黑母粒的制備方法中，可通過現(xiàn)有技術(shù)中通用的密煉機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)將所述的聚乙烯樹脂、炭黑在內(nèi)的組分熔融共混。所述的生產(chǎn)設(shè)備可以是密煉機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)，優(yōu)選密煉機(jī)。密煉機(jī)內(nèi)溫度采用常規(guī)低密度聚乙烯熔融共混的加工溫度，一般為110 180°C，效果更好為120 160°C。在此步驟中通過樹脂和炭黑之間的強(qiáng)大的摩擦力將炭黑團(tuán)聚體打破并將炭黑均勻的分散在載體樹脂中；熔融共混時(shí)間為2 20mino本發(fā)明的炭黑母粒與本色工程塑料，如ABS樹脂混合，一般工程塑料與本發(fā)明聚乙烯色母的重量比例為100 :1至100 4?；旌狭贤ㄟ^普通雙螺桿擠出機(jī)擠出共混造粒后進(jìn)行注塑成型，其成型工藝和設(shè)備均采用現(xiàn)有技術(shù)中的注塑工藝和設(shè)備。本發(fā)明的炭黑母粒與尼龍、聚酯、聚碳酸酯及ABS等多種工程塑料體系的相容性良好，通過熔融共混制備混配料，再將混配料采用常規(guī)的注塑機(jī)注塑成型，就能得到高黑度、高性能的工程塑料產(chǎn)品。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明。物理機(jī)械件能:工程塑料本色材料混合制成混配料后注塑制樣，測(cè)試物理機(jī)械性能。工程塑料的品種有ABS (牌號(hào)15A1，臺(tái)化股份有限公司生產(chǎn))、聚丙烯樹脂PP (牌號(hào)4220，燕山石化)。其試驗(yàn)方法是將本色工程塑料樹脂與黑色母按照100 2的比例混合均勻，通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，通過注塑機(jī)注塑制樣，造粒及注塑的工藝條件參照原料供應(yīng)商的指導(dǎo)。按照國(guó)標(biāo)GB/T1040. 2-2006測(cè)試?yán)烨?qiáng)度；按照GB/T1843-2008測(cè)試懸臂梁沖擊強(qiáng)度。顯度試驗(yàn)方式如下將工程塑料基料與黑色母按照100 2的混合比例，然后在雙螺桿擠出機(jī)中造?；旌?，將混配料通過注塑機(jī)制樣，用分光光度計(jì)測(cè)試樣片的顏色(L' a' b*)。其中L*的數(shù)值用于表征材料的黑度，數(shù)值越小，黑度越高。實(shí)施例1控制炭黑的質(zhì)量含量在45%，添加0. 5%雙親梳形聚合物增容劑，此處的雙親疏型聚合物增溶劑選擇北京化工大學(xué)BH-27，其主鏈為聚甲基丙烯酸酯，側(cè)鏈為硬脂酸。具體配方如下低密度聚乙烯樹脂(1F7B，中國(guó)石化股份有限公司生產(chǎn)，MFR為15g/10min(190°C，2. 16kg) 100 重量份炭黑(BP800，平均原生粒徑為30nm，Cabot公司)82 重量份BH-27I 重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。
·
實(shí)施例2保持炭黑含量在45%不變，增加增容劑含量至5%，其他條件如實(shí)施例1所述。具體配方如下低密度聚乙烯樹脂 100 重量份炭黑90重量份BH-2710重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。實(shí)施例3控制炭黑的質(zhì)量含量在45%，添加5%雙親梳形聚合物增容劑，此處的雙親疏型聚合物增溶劑選擇北京化工大學(xué)PL-1，其主鏈為甲基丙烯酸，接枝長(zhǎng)鏈為1-十二醇。具體配方如下低密度聚乙烯樹脂100重量份炭黑90重量份PL-1I重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。對(duì)比例I保持炭黑含量在45%不變，除在配方中用聚烯烴增容劑馬來酸酐接枝改性聚乙烯(100D，杜邦)替換BH-27，其他條件如實(shí)施例2所述。具體配方如下低密度聚乙烯樹脂 100 重量份炭黑90重量份100D10重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。
將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。實(shí)施例4控制炭黑的質(zhì)量含量在45 %，具體配方如下具體配方如下低密度聚乙烯樹脂 100 重量份炭黑90 重量份BH-2710 重量份 混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與聚丙烯樹脂PP(牌號(hào)4220，燕山石化)熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。對(duì)比例2除在配方中不加入雙親梳型聚合物增容劑，其他條件如實(shí)施例4所示低密度聚乙烯樹脂(1F7B，中國(guó)石化股份有限公司生產(chǎn)，MFR為15g/10min(190°C，2. 16kg) 100 重量份炭黑(BP800，平均原生粒徑為30nm，Cabot公司)82 重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與聚丙烯樹脂PP(牌號(hào)4220，燕山石化)熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。實(shí)施例5保持炭黑含量在45%不變，在體系中加入0. 3%碳氟聚合物PPA (牌號(hào)FX5911，美國(guó)3M公司生產(chǎn))，其他條件如實(shí)施例2所述。具體配方如下
低密度聚乙烯樹脂100 重量份 炭黑90 重量份
BH-2710 重量份
PPA0.6 重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。實(shí)施例6保持炭黑含量在45 %不變，提高碳氟聚合物PPA (牌號(hào)FX5911，美國(guó)3M公司生產(chǎn))的含量提高到1. 0%,其他條件如實(shí)施例5所述。具體配方如下低密度聚乙烯樹脂100 重量份 炭黑90 重量份
BH-2710 重量份
PM2重量份·
混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。實(shí)施例7保持炭黑含量在45 %不變，提高碳氟聚合物PPA (牌號(hào)FX5911，美國(guó)3M公司生產(chǎn))
的含量提高到4. 5%,其他條件如實(shí)施例5所述。具體配方如下
低密度聚乙烯樹脂100 重量份 炭黑99 重量份
BH 2711 重量份
PPA10 重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出利造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。對(duì)比例3保持炭黑含量在45%不變，用其他聚合物增溶劑代替雙親梳型聚合物增容劑，用其他分散劑聚乙烯蠟(4型，北京化工大學(xué)精細(xì)化工廠，數(shù)均分子量7000)替代PPA，其他條件如實(shí)施例6所述。具體配方如下
低密度聚乙烯樹脂100 重量份 炭黑90 重量份
100D10 重量份
聚乙烯蠟2 重量份混合均勻后放入密煉機(jī)中，熔融共混后出料造粒，得到本發(fā)明所述炭黑母粒，熔融共混溫度為150°C。將上述炭黑母粒與本發(fā)明實(shí)施方式中所描述的ABS熔融共混后進(jìn)行性能測(cè)試。具體性能測(cè)試結(jié)果如表I所示。表I
權(quán)利要求
1.一種炭黑母粒，包括共混的以下組分聚乙烯樹脂100重量份炭黑50 150重量份雙親梳型聚合物增容劑 0.1~14重量份碳氟聚合物O 10重量份所述聚乙烯樹脂的熔體流動(dòng)速率大于5g/10min(190°C,2. 16kg)；所述雙親梳型聚合物增容劑的主鏈?zhǔn)峭ㄟ^自由基聚合反應(yīng)得到的具有高反應(yīng)活性極性側(cè)基的丙烯酸酯系列聚合物衍生物，而梳型非極性側(cè)基是在主鏈上接枝的長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)； 碳氟聚合物為偏氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯中的一種或一種以上單體的均聚物或共聚物。
2.如權(quán)利要求1所述的炭黑母粒，其特征在于炭黑50 130重量份雙親梳型聚合物增容劑 O. 5 11重量份碳氟聚合物0.01 10重量份。
3.如權(quán)利要求2所述的炭黑母粒，其特征在于炭黑80 100重量份碳氟聚合物O. 5 8重量份。
4.如權(quán)利要求1所述的炭黑母粒，其特征在于所述聚乙烯樹脂為低密度聚乙烯樹脂；所述聚乙烯樹脂的熔體流動(dòng)速率大于10g/10min(190°C,2. 16kg)。
5.如權(quán)利要求1所述的炭黑母粒，其特征在于所述炭黑的平均原生粒徑為15 120nm，吸油值大于50ml/100g，揮發(fā)組分小于3. 5wt. % ο
6.如權(quán)利要求1所述的炭黑母粒，其特征在于雙親梳型聚合物增容劑的主鏈為丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥乙酯中的一種或組合物；所述長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)是1-癸醇、1-十二醇、1-十八醇、1-十二胺、1-十八胺、硬脂酸、油酸中的一種或組合物。
7.如權(quán)利要求1所述的炭黑母粒，其特征在于所述碳氟聚合物為偏氟乙烯與四氟乙烯的共聚物。
8.—種如權(quán)利要求1 7之一所述的炭黑母粒的制備方法，包括將所述組分按所述用量熔融共混后制得所述炭黑母粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種炭黑母粒及其制備方法。所述炭黑母粒包括聚乙烯樹脂100重量份；炭黑50-150重量份；雙親梳型聚合物增容劑0.1-14重量份；碳氟聚合物0-10重量份。所述方法包括將所述組分按所述用量熔融共混后制得。本發(fā)明的炭黑母粒不但與非極性聚合物有良好的相容性，同時(shí)能夠應(yīng)用于ABS等極性聚合物。
文檔編號(hào)C08L23/04GK103012902SQ20121034950
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者程紅原, 李赫然, 李明哲, 孫小培 申請(qǐng)人:北京北化高科新技術(shù)有限公司