一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料及其製備方法與流程
2024-04-10 01:43:05 1
本發明屬於改性工程塑料技術領域，尤其涉及一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料及其製備方法。
背景技術：
聚碳酸酯(PC)作為五大工程塑料之一，其性能優異，不僅有較高的抗衝擊性能，而且還有較好的阻燃性和尺寸穩定性，並且其無色無臭，故其應用範圍十分的廣泛。從日用生活品的飲水機桶到高端電子產品手機、電腦等等，處處可以看到它的身影。
但是聚碳酸酯也有一些缺點，例如像大多數的聚合物一樣，材料完全不導電，這在一些產品上是有利的，但是其絕緣性會導致產品在使用過程中摩擦產生電荷堆積，容易引起靜電放電，常見的影響就是會吸附灰塵，嚴重的會導致元器件損壞或者儀器故障等，所以這樣就會導致在家用電器及一些有抗靜電需求的產品上，聚碳酸酯的應用受到了限制。
近年來有很多致力於抗靜電聚碳酸酯的研究，但是大多數都是用的導電炭黑，導電效率低，一般表面電阻在108左右，並且現有技術中的抗靜電劑的加入對聚碳酸酯的性能影響較大，使得聚碳酸酯的流動性大幅降低，從而造成加工困難，缺口衝擊強度只有50J/m左右，這對其應用有很大的限制。
有鑑於此，確有必要提供一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料及其製備方法，其具有較好的抗靜電效果，表面電阻可以達到105以下；採用特殊的流動性改性劑，保證了所製得的PC複合材料的加工性能；採用了異形玻璃纖維，使得所製得的PC複合材料的整體機械性能優異。本發明所製得的PC複合材料具有高強度、高剛性、較好的尺寸穩定性及良好的耐化學性，使得其應用十分廣泛。
技術實現要素：
本發明的目的之一在於：針對現有技術的不足，而提供一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，其具有較好的抗靜電效果，表面電阻可以達到105以下；採用特殊的流動性改性劑，保證了所製得的PC複合材料的加工性能；採用了異形玻璃纖維，使得所製得的PC複合材料的整體機械性能優異。本發明所製得的PC複合材料具有高強度、高剛性、較好的尺寸穩定性及良好的耐化學性，使得其應用十分廣泛。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑1為納米級石墨、石墨烯和納米炭黑中的至少一種；
所述抗靜電劑2為季銨鹽與聚甲基丙烯酸的共聚物、聚醚酯醯胺和聚環氧乙烷中的至少一種。
本發明基體材料中使用的抗靜電劑1為納米級材料，其分子直徑很小，在擠出過程中，分散會更加的均勻，且用量相對傳統抗靜電劑小，對物理性能影響更小；抗靜電劑2為表面活性劑類高分子永久型抗靜電劑，可在表面形成細微的層狀或筋狀分布，構成導電性表層，中心部分呈球狀分布，形成「芯殼結構」，並以此為通路傳遞靜電荷。當抗靜電劑1與抗靜電劑2結合，以雙通路的方式傳遞靜電荷，抗靜電效果更強，並且對材料的性能影響較小。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述玻璃纖維為無鹼玻璃纖維和/或異形玻璃纖維；所述異形玻璃纖維為扁平或蛹形的短玻璃纖維，玻纖長度為2-6mm。優選為異形玻璃纖維，因為異形玻璃纖維可以提高玻璃纖維增強塑料強度和結合性能，具有優良的耐水性和耐酸性、較高的抗拉性強度和抗彎折性，且可減少製品的收縮和翹曲，塑件雙向的性能差異很小。所以本發明製取的複合材料具有優異的機械強度和韌性，且表面效果非常優良。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述流動性改性劑為BDP(雙酚A-雙(二苯基磷酸酯))和/或RDP(間苯二酚-雙(二苯基磷酸酯))；本發明使用的流動性改性劑的粘度較低，在PC分子間可充當潤滑劑功能，且對壓力敏感，故其在注塑成型過程中可較好的改善聚碳酸酯的流動性。而且BDP和RDP與聚碳酸酯的相容性好、熱穩定性高、揮發性低。
所述潤滑劑為季戊四醇硬脂酸酯類(PETS)、乙烯蠟和乙撐雙硬脂酸醯胺中的至少一種。季戊四醇硬脂酸酯類對於聚碳酸酯屬於內潤滑劑，它起到削弱分子鏈間的相互作用力的作用，能引起分子間的滑動和旋轉，減低分子間的摩擦力，避免過多的剪切力產生熱導致材料發生降解，同時能提高材料的流動性。乙烯蠟對於聚碳酸酯屬於外潤滑劑，它會附著在熔體或加工機械、模具的表面，形成潤滑界面，降低熔體與加工機械的摩擦力，可以提高加工性能。乙撐雙硬脂酸醯胺的內外潤滑效果極佳，抗粘連性和抗靜電性優良，並能顯著改善塑料或填料的分散性，還可以改善樹脂的流動性。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述複合材料中還包括0.1-2％的矽烷偶聯劑，矽烷偶聯劑的使用可以改善PC與抗靜電劑之間的相容性。矽烷偶聯劑具體如乙烯基三乙氧基矽烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)矽烷、γ-縮水甘油丙基-三甲氧基矽烷、γ-甲基丙烯醯氧基丙基-三甲氧基矽烷。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述抗氧劑為抗氧化劑1076、抗氧化劑168和抗氧劑626中的至少一種。這些抗氧劑可防止聚碳酸酯的氧化，預防聚碳酸酯老化。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述聚碳酸酯為非光氣法合成的聚碳酸酯，其重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min。光氣法合成聚碳酸酯在生產中需要使用劇毒的光氣，且要循環使用二氯甲烷溶液和叔胺，同時生產過程中產生大量含氯化物的大量廢水，對環境造成汙染和破壞。非光氣法合成聚碳酸酯的過程中不使用有毒物質，原子利用率高，整個PC生產過程中可實現「零排放」，是典型的「綠色化學」清潔生產工藝。重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min的聚碳酸酯的加工性能好，而且強度和韌性適宜。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的一種改進，所述抗靜電劑1的粒徑為20nm-80nm；所述抗靜電劑2的重均分子量為20000-80000。
相對於現有技術，本發明的PC複合材料具有高達30％的玻璃纖維含量，採用了特殊的抗靜電劑，製得的PC複合材料具有較好的抗靜電效果，表面電阻可以達到105以下；採用特殊的流動性改性劑，保證了所製得的PC複合材料的加工性能；採用了異形玻璃纖維，使得所製得的PC複合材料的整體機械性能優異。缺口衝擊強度可達90J/m以上，本發明所製得的PC複合材料具有高強度、高剛性、較好的尺寸穩定性及良好的耐化學性，使得其應用十分廣泛。
本發明的另一個目的在於提供一種本發明所述的高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)按配比稱取聚碳酸酯、玻璃纖維、流動性改性劑、抗靜電劑1、抗靜電劑2、潤滑劑和抗氧劑；
(2)將步驟(1)所稱取的聚碳酸酯、流動性改性劑、抗靜電劑1、抗靜電劑2、潤滑劑和抗氧劑組分投入高速混合機中混合3～10min，得到均一的混合物；
(3)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，將玻璃纖維側餵料加入，造粒、得到本發明所述的高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的製備方法的一種改進，在步驟(1)和(2)之間還包括如下步驟：將聚碳酸酯、抗靜電劑1和抗靜電劑2混合，然後加入矽烷偶聯劑和溶劑，混合均勻後烘乾，除去溶劑，得到抗靜電母粒。其中，溶劑為乙醇或丙酮。通過矽烷偶聯劑的改性處理，可以提高聚碳酸酯基體與抗靜電劑的相容性，增強材料的穩定性。
作為本發明高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料的製備方法的一種改進，所述雙螺杆擠出機包括10個溫控區，溫控一區的溫度為180-240℃；溫控二區的溫度為220～260℃；溫控三區的溫度為240～270℃；溫控四區的溫度為240～270℃；溫控五區的溫度為220～270℃；溫控六區的溫度為200～260℃；溫控七區的溫度為200～260℃；溫控八區的溫度為200～260℃；溫控九區的溫度為200～260℃；模頭溫度為240～270℃；轉速為300-500r/min。
相對於現有技術，本發明方法簡單，成本低，適合廣泛推廣，可以製得具有高強度、高剛性、較好的尺寸穩定性及良好的耐化學性的高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料。
具體實施方式
為了更詳細地說明本發明及其有益效果，本發明列舉下述實施例，但是本發明的實施方式並不限於此。
實施例1
本實施例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑1為納米級石墨，所述抗靜電劑2為季銨鹽與聚甲基丙烯酸的共聚物，所述抗靜電劑1的粒徑為20nm；所述抗靜電劑2的重均分子量為50000，所述玻璃纖維為扁平短玻璃纖維，纖維長度4mm，所述流動性改性劑為BDP(雙酚A-雙(二苯基磷酸酯))；所述潤滑劑為季戊四醇硬脂酸酯類PETS。所述抗氧劑為抗氧化劑1076、抗氧化劑168的混合物，二者的質量比為1：4。
所述聚碳酸酯為非光氣法合成的聚碳酸酯，其重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min。
其製備方法包括以下步驟：
(1)按配比稱取上述53份聚碳酸酯、30份扁平短玻璃纖維、5份流動性改性劑BDP(雙酚A-雙(二苯基磷酸酯))、5份納米級石墨抗靜電劑、5份季銨鹽與聚甲基丙烯酸的共聚物、0.5份潤滑劑PETS、0.1份抗氧劑1076、0.4份抗氧劑168和1份矽烷偶聯劑乙烯基三乙氧基矽烷；
(2)將聚碳酸酯、納米級石墨抗靜電劑和季銨鹽與聚甲基丙烯酸的共聚物混合，然後加入矽烷偶聯劑乙烯基三乙氧基矽烷和乙醇，混合均勻後烘乾，除去乙醇，得到抗靜電母粒；
(3)將抗靜電母粒、流動性改性劑BDP、潤滑劑PETS、抗氧劑1076、份抗氧劑168投入高速混合機中混合7min，得到均一的混合物；
(4)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，將30份扁平短玻璃纖維側餵料加入，造粒、得到PC複合材料。
其中雙螺杆擠出機包括10個溫控區，溫控一區的溫度為180-240℃；溫控二區的溫度為220～260℃；溫控三區的溫度為240～270℃；溫控四區的溫度為240～270℃；溫控五區的溫度為220～270℃；溫控六區的溫度為200～260℃；溫控七區的溫度為200～260℃；溫控八區的溫度為200～260℃；溫控九區的溫度為200～260℃；模頭溫度為240～270℃；轉速為300-500r/min。
實施例2
本實施例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑1為石墨烯，所述抗靜電劑2為聚醚酯醯胺，所述抗靜電劑1的粒徑為40nm；所述抗靜電劑2的重均分子量為30000，所述玻璃纖維為蛹形短玻璃纖維，纖維長度5mm，所述流動性改性劑為BDP(雙酚A-雙(二苯基磷酸酯))；所述潤滑劑為乙烯蠟。所述抗氧劑為抗氧化劑1076、抗氧化劑626的混合物，二者的質量比為2：5。
所述聚碳酸酯為非光氣法合成的聚碳酸酯，其重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min。
其製備方法包括以下步驟：
(1)按配比稱取51份聚碳酸酯、38份蛹形短玻璃纖維、3份流動性改性劑BDP(雙酚A-雙(二苯基磷酸酯))、2份石墨烯和3份聚醚酯醯胺、0.3份潤滑劑乙烯蠟和0.2份抗氧劑1076和0.5份抗氧劑626；
(2)將聚碳酸酯、石墨烯和聚醚酯醯胺混合，然後加入矽烷偶聯劑乙烯基三(β-甲氧乙氧基)矽烷和丙酮，混合均勻後烘乾，除去丙酮，得到抗靜電母粒；
(3)將抗靜電母粒、流動性改性劑BDP、潤滑劑乙烯蠟、抗氧劑1076、份抗氧劑626投入高速混合機中混合5min，得到均一的混合物；
(4)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，將38份蛹形短玻璃纖維側餵料加入，造粒、得到PC複合材料。
其中雙螺杆擠出機包括10個溫控區，溫控一區的溫度為180-240℃；溫控二區的溫度為220～260℃；溫控三區的溫度為240～270℃；溫控四區的溫度為240～270℃；溫控五區的溫度為220～270℃；溫控六區的溫度為200～260℃；溫控七區的溫度為200～260℃；溫控八區的溫度為200～260℃；溫控九區的溫度為200～260℃；模頭溫度為240～270℃；轉速為300-500r/min。
實施例3
本實施例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑1為納米炭黑，所述抗靜電劑2為聚環氧乙烷，所述抗靜電劑1的粒徑為60nm；所述抗靜電劑2的重均分子量為40000，所述玻璃纖維為蛹形短玻璃纖維，纖維長度3.5mm，所述流動性改性劑為RDP(間苯二酚-雙(二苯基磷酸酯))；所述潤滑劑為乙撐雙硬脂酸醯胺。所述抗氧劑為抗氧化劑168、抗氧化劑626的混合物，二者的質量比為2：1。
所述聚碳酸酯為非光氣法合成的聚碳酸酯，其重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min。
其製備方法包括以下步驟：
(1)按配比稱取上述51.5份聚碳酸酯、33份蛹形短玻璃纖維、5份流動性改性劑RDP(間苯二酚-雙(二苯基磷酸酯))、5份納米炭黑、3份聚環氧乙烷、0.7份潤滑劑乙撐雙硬脂酸醯胺和0.2份抗氧劑168和0.1份抗氧劑626；
(2)將聚碳酸酯、納米炭黑和聚環氧乙烷混合，然後加入矽烷偶聯劑γ-縮水甘油丙基-三甲氧基矽烷和丙酮，混合均勻後烘乾，除去丙酮，得到抗靜電母粒；
(3)將抗靜電母粒、流動性改性劑RDP、潤滑劑乙撐雙硬脂酸醯胺、抗氧劑168、抗氧劑626投入高速混合機中混合9min，得到均一的混合物；
(4)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，將33份蛹形短玻璃纖維側餵料加入，造粒、得到PC複合材料。
其中雙螺杆擠出機包括10個溫控區，溫控一區的溫度為180-240℃；溫控二區的溫度為220～260℃；溫控三區的溫度為240～270℃；溫控四區的溫度為240～270℃；溫控五區的溫度為220～270℃；溫控六區的溫度為200～260℃；溫控七區的溫度為200～260℃；溫控八區的溫度為200～260℃；溫控九區的溫度為200～260℃；模頭溫度為240～270℃；轉速為300-500r/min。
實施例4
本實施例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑1為石墨烯，所述抗靜電劑2為聚環氧乙烷，所述抗靜電劑1的粒徑為50nm；所述抗靜電劑2的重均分子量為70000，所述玻璃纖維為扁平短玻璃纖維，纖維長度5mm，所述流動性改性劑為RDP(間苯二酚-雙(二苯基磷酸酯))；所述潤滑劑為季戊四醇硬脂酸酯類(PETS)。所述抗氧劑為抗氧化劑168、抗氧化劑626的混合物，二者的質量比為1：1。
所述聚碳酸酯為非光氣法合成的聚碳酸酯，其重均分子量為15000-25000，熔融指數為10～25g/10min。
其製備方法包括以下步驟：
(1)按配比稱取41.4份聚碳酸酯、35份扁平短玻璃纖維、7份流動性改性劑RDP(間苯二酚-雙(二苯基磷酸酯))、7份石墨烯和7份聚環氧乙烷、0.6份潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯類(PETS)和0.4份抗氧劑168和0.4份抗氧劑626；
(2)將聚碳酸酯、石墨烯和聚環氧乙烷混合，然後加入矽烷偶聯劑γ-甲基丙烯醯氧基丙基-三甲氧基矽烷和乙醇，混合均勻後烘乾，除去乙醇，得到抗靜電母粒；
(3)將抗靜電母粒、流動性改性劑RDP、潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯類(PETS)、抗氧劑168、份抗氧劑626投入高速混合機中混合6min，得到均一的混合物；
(4)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，將35份扁平短玻璃纖維側餵料加入，造粒、得到PC複合材料。
其中雙螺杆擠出機包括10個溫控區，溫控一區的溫度為180-240℃；溫控二區的溫度為220～260℃；溫控三區的溫度為240～270℃；溫控四區的溫度為240～270℃；溫控五區的溫度為220～270℃；溫控六區的溫度為200～260℃；溫控七區的溫度為200～260℃；溫控八區的溫度為200～260℃；溫控九區的溫度為200～260℃；模頭溫度為240～270℃；轉速為300-500r/min。
對比例1
本對比例提供了一種抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述潤滑劑為季戊四醇硬脂酸酯類PETS。所述抗氧劑為抗氧化劑1076、抗氧化劑168的混合物，二者的質量比為1：4。
其製備方法包括以下步驟：
(1)按配比稱取上述89份聚碳酸酯、10份導電炭黑、0.5份潤滑劑PETS、0.1份抗氧劑1076、0.4份抗氧劑168；
(2)將聚碳酸酯、導電炭黑、潤滑劑PETS、抗氧劑1076、份抗氧劑168投入高速混合機中混合7min，得到均一的混合物；
(4)將所述混合物於雙螺杆擠出機中熔融擠出，造粒、得到PC複合材料。
對實施例1至4和對比例1的抗靜電PC材料進行彎曲模量、彎曲強度、拉伸強度、斷裂伸長率、缺口衝擊強度、熔融指數、熱變形溫度和表面電阻率進行測試，所得結果見表1。
對比例2
與實施例1不同的是，本對比例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑為納米級石墨，其餘同實施例1，這裡不再贅述。
對比例2
與實施例1不同的是，本對比例提供了一種高含量玻璃纖維增強抗靜電PC複合材料，包括如下重量百分比的組分：
所述抗靜電劑為季銨鹽與聚甲基丙烯酸的共聚物，其餘同實施例1，這裡不再贅述。
表1：實施例1至4和對比例1至3的性能測試結果
由上表1可以看出：製取的高含量玻璃纖維(大於30％)增強的抗靜電PC複合材料可以達到非常好的抗靜電效果，對比例2和對比例3中都各自單獨使用了兩種不同的抗靜電劑，表明這兩種抗靜電劑都有抗靜電效果。實施例1至4中使用抗靜電劑1和抗靜電劑2復配，抗靜電效果得到明顯改善，且性能損耗也有所下降，說明兩種抗靜電劑的復配能取長補短，在PC內部的導電網絡與PC表面的電荷傳遞通路能協同進行，電荷傳遞更通暢。
另外本發明製取的複合材料仍具有優異的機械性能，缺口衝擊強度可達到100J/m，與普通非導電的30％玻璃纖維增強PC複合材料性能毫無差別。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用於限制本發明，任何熟悉本領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。