短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合材料領域，一種短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]高導電性熱塑性塑料是一種抗電磁干擾的高分子復合材料，在電子及微電子工業中的應用越來越廣泛和重要。由于抗電磁干擾用的導電熱塑性塑料具有電磁屏蔽性能，加工成型可一次完成，在長期使用過程中(如震動、濕熱環境等)安全、可靠，不會像表面導電涂層那樣易產生剝離與脫落，特殊改性的抗電磁干擾用的導電工程塑料可賦予設計者、加工者和應用者非常大的靈活性，并有著明顯超越金屬、鍍金屬導電層和導電涂料的顯著優點。
[0003]金屬纖維填充型導電熱塑性塑料是目前應用最廣泛和性價比最好的復合型導電高分子材料，多以各種熱塑性塑料為基材，使用的金屬纖維填料主要是鍍鎳碳纖維、不銹鋼纖維，黃銅纖維、鋁纖維、鎳纖維等。其制成品的體積電阻為KT1-1O-3Q.cm，屏蔽效能(SE值)為30-85 dB?在要求具有強度高、體積輕、殼壁薄、注射成型、流動好等比較苛刻的使用環境中，應采用碳纖維填充的高強度導電熱塑性塑料。高性能、超薄、超輕的筆記本電腦、手機、通訊器材等殼體材料即是采用碳纖維填充的熱塑性塑料合金。黃銅纖維填充的導電工程塑料具有優異的電磁屏蔽效果，卻難以滿足實用化提出的高阻燃、低比重、良好制品外觀等要求；鍍鎳碳纖維及鍍鎳石墨碳纖維雖也具有優異的導電性能，但由于價格昂貴而限制了其廣泛使用；不銹鋼纖維填加量少，對工程塑料的物理、機械力學性能影響較小，目前是最常用的抗電磁干擾用的導電工程塑料。國外不銹鋼纖維填充型的導電工程塑料已形成工業化生產規模，但價格昂貴。近期，美國、日本等公司生產的金屬纖維填充型導電工程塑料己在國內推廣與銷售，價格偏高，只有少數外資企業使用。國內有些單位在此領域開展基礎理論與應用研宄，但一直沒有工業化生產。
[0004]利用碳纖維填充工程塑料可以有比填充金屬纖維比重小，耐腐蝕的優勢。但是，碳纖維含量較低時由于電導率相對較低，抗電磁屏蔽效果不是最佳。而碳纖維含量增大時不僅會增加成本，而且也會影響材料的力學性能。為此，本發明采取了短切碳纖維、納米高導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料。
【發明內容】
[0005]本發明為了解決以上問題提供了一種短切碳纖維、納米高導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料及其制備方法，節約成本、節能環保、性能優異、生產方便。
[0006]本發明的第一個目的是通過以下技術方案實現的，短切碳纖維、納米高導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料，各組分所占重量份分別為:熱塑性樹脂50-90份、相容劑5-8份、短切碳纖維5-30份、納米高導電炭黑/石墨烯2-10份、抗氧劑0.1-0.3份、分散劑0.1-1份。
[0007]所述熱塑性樹脂為聚丙烯、聚乙烯、聚酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)以及聚酰胺中的任意一種或任意兩種以上的組合物。
[0008]所述短切碳纖維為民用短切碳纖維，單根碳絲的直徑為0.5um左右，短切碳纖維長度為標準3mm_ 12mm ο
[0009]所述納米導電炭黑/石墨烯為無機高導電填料，要求為納米導電炭黑的尺寸為30_100nm之間、石墨稀的粒徑(D50) ^ 10um。
[0010]所述相容劑為聚乙烯辛烯共聚彈性體接枝馬來酸酐POE-MAH、聚丙烯接枝馬來酸酐PP-MAH、聚乙烯接枝馬來酸酐PE-MAH、醋酸乙烯與乙烯共聚合物接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯EVA-GMA中的任意一種或任意兩種以上的組合物。
[0011 ] 所述抗氧劑為N，N’ -雙-(3- (3，5- 二叔丁基_4_羥基苯基)丙酰基)己二胺(抗氧劑1098)、四[β- (3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧劑1010)、三[2.4- 二叔丁基苯基]亞磷酸酯(抗氧劑168)、β- (3,5- 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧劑1076)中的任意一種或任意兩種以上的組合物。
[0012]所述分散劑為乙撐雙硬脂酰胺EBS、改性乙撐雙脂肪酸酰胺TAF、季戊四醇硬脂酸酯PETS、硅酮粉中的任意一種或任意兩種以上的組合物。
[0013]本發明的第二個目的是通過以下技術方案實現的，一種短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料的制備方法，包括下述步驟:
1)將5-30份短切碳纖維、2-10份納米導電炭黑/石墨烯分別經過等離子體處理，提高它們的表面活性，等離子體處理時間為10-30min ;以氧氣作為氣體源，壓力10_50Pa，等離子體發生器功率為50-150W，處理結束后待用；
2)在高速混合機中分別加入50-90份熱塑性樹脂、5-8份相容劑、0.1-0.3份抗氧劑、0.1-1份分散劑、等離子處理過的2-10份納米導電炭黑/石墨烯，混合均勻；
3)將3mm-12mm處理好的短切碳纖維加入到螺桿側喂料機中待用；
4)將上述第二步中的混合物料加入擠出機料斗中與側喂料中的短切碳纖維一起進行原位擠出反應，擠出機溫度范圍為180-300°C，轉速200-500r/min。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
第一，本發明通過對短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯表面進行活化處理后和熱塑性塑料原料，經過原位反應擠出造粒，同時解決了短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯與塑料基體之間的相容性和粘結性的問題，利用短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯為核心原料，創造了一種性能優異的新型綠色熱塑性高導電復合材料的制備工藝。
[0015]第二，本發明通過對短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯表面進行等離子體活化處理后和熱塑性塑料原料，經過原位反應擠出造粒，同時解決了短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯與塑料基體之間的相容性和粘結性的問題，等離子體活化短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯，在表面形成蝕刻，同時產生的羧基、羰基、羥基活性基團在反應擠出過程中互相形成螯合結構，使得復合材料的導電性能和力學性能得得到了很大提高，本發明利用熱塑性塑料和短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯為核心原料，特殊的復配方法以及二次活化工藝，創造了一種性能優異的新型綠色熱塑性高導電復合材料的制備工藝。
[0016]第三，本發明制得的短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料，其主要性能指標為:拉伸強度彡200MPa，彎曲強度彡250MPa，彎曲模量彡20GPa，缺口沖擊強度彡8kJ.πΓ2，體積電阻為cm獲得的產品密度小、強度高、耐腐蝕、導電性能優良，達到了電子產品、小型風能發電葉片、特殊電動工具、屏蔽制品的性能要求，可作為其原料使用。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
一種短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料，各組分所占重量份分別為:ΡΑ66熱塑性樹脂(聚酰胺)80份、POE-MAH相容劑2份、短切碳纖維15份、納米高導電炭黑/石墨烯3份、抗氧劑N，N’ -雙-(3-(3，5- 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺(1098) 0.2份、分散劑硅酮粉0.5份。
[0018]一種短切碳纖維、納米導電炭黑/石墨烯協同增強高導電熱塑性塑料的制備方法，包括下述步驟:
1)將300g短切碳纖維、60g納米導電炭黑/石墨烯分別經過等離子體處理，提高它們的表面活性，等離子體處理時間為10-30min ;以氧氣作為氣體源，壓力50Pa，等離子體發生器功率為50-150W，處理結束后待用；
2)在高速混合機中分別加入1600g熱塑性樹脂、40g相容劑、2g抗氧劑、1g份分散劑、等離子處理過的60g納米導電炭黑/石墨稀，混合均勾；
3)將12mm處理好的300g短切碳纖維加入到螺桿側喂料機中待用；
4)將上述第二步中的混合物料加入擠出機料斗中與側喂料中的短切碳纖維一起進行原位擠出反應，擠出機溫度范圍為240-290°C，轉速350r/min。
[0019]實施例2
一種短切碳纖維、納米導電炭黑/