納米水性導電炭黑色漿及其製備方法
2023-06-04 01:28:26
專利名稱：納米水性導電炭黑色漿及其製備方法
納米水性導電炭黑色漿及其製備方法技術領域：
本發明屬於導電高分子複合材料技術領域，涉及一種水性炭黑色漿及其製備方法，尤其涉及一種高結構納米導電炭黑色漿及其製備。背景技術：
導電碳黑是一種利用碳黑本身所具有的特性如導電性能、高結構性質、聚集體不規則且尺寸非常小(納米級)、與其他物料混煉均勻容易等特點，可有效在絕緣體中形成立體網狀結構，有效提高導電性。導電碳黑是所有的導電填料中效果最好，成本最低，最不容易引起產品物理性能變壞的產品。導電碳黑按其導電性能和製造方法可分為導電爐法碳黑(CF)、超導電爐法碳黑(SCF)、特導電爐法碳黑(XCF)等。
對於導電塗層來說，提高塗層表面導電性一般通過以下幾個方式來完成這個目的一是成膜物質採用導電高分子樹脂；二是加入少量的導電劑或；三是採用導電填料；四是以上三種方式複合使用等方法和手段。但考慮導電塗料製備工藝和原料的特性以及使用性，一般以普通的絕緣聚合物為主要基質(成膜物)，並摻入一定的導電填料，如導電炭黑進行製備。在導電塗料中加入一定量的導電炭黑，在塗料成膜形成的導電塗層中形成立體網狀結構導電通路，使塗層表面在導電碳黑的作用下具有了一定導電功能，從而使得塗層的導電性能大大提高，降低靜電影響即可賦予製品導電或防靜電作用，有效的增加產品的使用性能和範圍。
導電塗料的導電性主要與所採用填料的導電性、使用量、填料顆粒大小以及聚合物與填料顆粒的相容性等因素有著密切的關係。所採用的導電炭黑顆粒越細、分布越窄，網狀鏈堆積越緊密，比表面積就越大；單位質量顆粒多，就更加利於在基質中形成鏈式導電結構。在其它物料條件一定時，炭黑顆粒在聚合物中的分散狀況將決定導電塗料的導電性能。 然而，當炭黑顆粒達到納米級時，比表面積很大，在塗料製備過程中容易產生絮凝現象。另外，碳系複合導電塗料成膜過程中易產生裂紋而使得導電穩定性較差，影響塗料的應用。鑑於上述兩個主要的原因，導電炭黑在使用過程先期必須對其表面進行改性和粒徑均一化處理。對於水性導電塗料來講，導電炭黑在使用過程中必須先製備成水性導電炭黑色漿，然後在加入塗料體系中製備出導電塗料。對於水性導電炭黑色漿，不但要求製備的色漿粒徑小、 分布窄，同時，其表面修飾改性劑後與樹脂相容性要好。若採用合適的改性劑和分散方式製備的色漿，可以大大提高其在基質中的分散性和溼潤性。
導電炭黑具有一般炭黑的性質，炭黑粒子的大小和比表面積、結構性以及表面性質等主要屬性。其中炭黑的結構性起到了主導作用，所謂炭黑的結構是碳原子在生成過程中，由碳原子聚熔而形成的一種狀態。當碳原子繼續生長時，許多聚熔的原子連結起來形成三度空間和鏈枝結構，這種結構成為一次結構或永久結構，晶核之間形成了牢固的化學鍵。 而在聚集體之間，形成的主要是範德華力，稱為二次結構或次生結構，這些聚集體粒子連結起來的附聚體呈鏈枝結構，容易破壞，過程也可逆。就炭黑粒徑而言，原生粒徑一般在10 IOOnm ；聚集體粒徑也就是所說的炭黑粒徑一般在50 500nm ；而形成的附聚體在1 μ m以上。而對於高導炭黑，由於其製備的特性，其表觀粒徑在ΙΟμπι以上。要使得導電炭黑在水性導電塗料中分散均一，達到良好的導電效果，必須進行解聚和穩定化處理，採用的導電炭黑色漿粒徑大小小於1 μ m。
對於水性導電炭黑色漿，不但要求粒徑細，分布均一而且與主體樹脂有良好的相容性。在製備導電炭黑色漿的過程中，不僅要考慮炭黑的分散還要對其進行表面處理和改性。目前在製備穩定炭黑色漿處理和改性的方法主要有以下幾個方面氧化改性、接枝改性、分散劑直接分散和聚合物包覆的方法。所有的方法都是針對炭黑表面性質引入特徵基團使炭黑表面具有足夠的靜電斥力和空間位阻，防止團聚，從而製備穩定的炭黑水性分散液。對於任何顏料色漿的製備都是經歷三個階段顏料的表面潤溼、機械力的分散和顏料離子的穩定階段。對於炭黑色漿的製備也是經歷這樣一個過程。考慮到導電炭黑的特性，表面潤溼過程還要考慮降低其強力的吸附性，在機械分散階段選擇特殊的製備設備，在分散和穩定階段選用合適的分散、潤溼體系，才可以達到良好的分散效果和粒徑的均一化。
雖然國內的許多公司和科研機構開發出了很多水性炭黑色漿，但在眾多水性炭黑色漿產品中，水性導電炭黑色漿特別應用於水性導電塗料中得專利技術並不多見。即便是通用型炭黑色漿無論是在製備過程還是在使用過程都有一定的局限性。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供了一種應用於水性導電塗料中的納米級水性導電炭黑色漿。
本發明提供的納米水性導電炭黑色漿，包括下述重量百分比的組分
導電炭黑10. 0 51. 0%、粉體分散劑0. 05 1. 5%、偶聯劑0. 5 2. 5%、穩定劑 0. 01 0. 30%、水溶性樹脂0. 1 2. 0%、分散劑1. 0 7. 0%、潤溼劑0. 5 4. 0%、防沉劑0. 01 0. 3%、非離子乳化劑0. 1 1. 5%、pH調節劑0. 001 0. 01%、去離子水30 87%。
上述組分可進一步包括防凍劑0.001 0.01%和殺菌劑0.001 0.06%。
本發明還提供了一種製備納米水性導電炭黑色漿的方法，是一種物理和化學相結合的方法，通過幹法研磨分散、幹法表面改性和溼法研磨技術處理導電炭黑製備導電色漿， 包括以下步驟
(1)幹法研磨分散導電炭黑
將導電炭黑和粉體分散劑按配比混合研磨分散，得到細度均一的導電炭黑粉體；
(2)幹法改性分散導電炭黑
在分散好的導電炭黑中按配比加入偶聯劑、穩定劑和樹脂，置於PSC粉體表面改性機中，設定溫度和轉速的條件下進行幹法改性，製備改性導電炭黑粉體；
(3)導電炭黑色漿的製備
在通過步驟( 製備的改性導電炭黑粉體中按配比加入分散劑、潤溼劑、防沉劑、 非離子乳化劑、PH調節劑和去離子水，或進一步添加防凍劑及殺菌劑，經過潤溼、分散、研磨和過濾，最後得到導電炭黑含量為10-30%的納米級水性導電炭黑色漿。
與現有技術相比，本發明具有以下特點
1)本發明依據導電炭黑的特殊結構和特性，採用幹法研磨分散，最大化的利用粉5體分散劑的分散功能，提高了利用效率，在強力分散的作用下，將導電炭黑的粒徑減小同時均一性提高，有利於最終色漿在後期溼法研磨的分散和潤溼。
2)本發明採用幹法化學改性研磨後的粉體導電炭黑，利用偶聯劑和穩定劑的作用，在一定溫度下，將導電炭黑進行表面修飾和改性，同時，降低了助劑在水性條件下得利用率，提高處理劑對導電炭黑表面的包覆效果，使得最終製備的導電色漿與導電塗料中的有機粘結樹脂有良好的相容性。
3)本發明為了更好的提高導電炭黑色漿的粒度和穩定性，在溼法研磨分散的過程中，加入一定量的潤溼分散劑和防沉劑，在很大程度上細化了色漿粒徑，提高了色漿的儲存穩定性。
應用本發明製備的水性導電炭黑色漿，不但解決了導電炭黑分散難得問題，使其具有比較高的炭黑含量，約為10-25%，減少了導電塗料中的添加量，並且降低了加工成本； 製備的色漿粒徑分布窄，平均粒徑為70-150nm。在使用過程中，與粘結樹脂有良好的相容性，塗料成膜後能很大程度上降低塗層的電阻；製備的導電色漿穩定性好，受高價金屬離子影響小，便於儲存和運輸；可以連續工業化生產，具有很好的市場價值。
圖1為本發明導電炭黑色漿製備工藝圖2為本發明實施例1製備的導電炭黑色漿的粒徑大小及分布；
圖3為本發明實施例2製備的導電炭黑色漿的粒徑大小及分布；
圖4為本發明實施例3製備的導電炭黑色漿的粒徑大小及分布；
圖5為本發明實施例4製備的導電炭黑色漿的粒徑大小及分布。具體實施方式
為實現本發明目的，以下結合附圖及實施例，對本發明作進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例，僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供了一種納米水性導電炭黑色漿，包括下述重量百分比的組分
導電炭黑10. 0 51. 0%、粉體分散劑0. 05 1. 5%、偶聯劑0. 5 2. 5%、穩定劑 0. 01 0. 30%、水溶性樹脂0. 1 2. 0%、分散劑1. 0 7. 0%、潤溼劑0. 5 4. 0%、防沉劑0. 01 0. 3%、非離子乳化劑0. 1 1. 5%、pH調節劑0. 001 0. 01%、去離子水30 87%。
上述各組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑15.0 40.0%、粉體分散劑 0. 2 1. 5 %、偶聯劑0. 6 2. 4 %、穩定劑0. 015 0. 25 %、水溶性樹脂0. 2 1. 5 %、分散劑1. 5 6. 5%、潤溼劑0. 9 3. 5%、防沉劑0. 02 0. 28%、非離子乳化劑0. 2 1. 4%、 PH調節劑0. 001 0. 009%、去離子水45 80%。
或者，上述各組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑18.0 30.0%、粉體分散劑0. 35 1. 4%、偶聯劑0. 7 2. 0%、穩定劑0. 02 0. 24%、水溶性樹月旨0. 35 1.4%,分散劑2. 0 5. 5%、潤溼劑1. 0 3. 2 %、防沉劑0. 04 0.洸％、非離子乳化劑 0. 3 1. 3%、pH調節劑0. 002 0. 008%、去離子水55 75%。
或者，上述各組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑20. 0 28. 0%、粉體分散劑0. 4 1. 0%、偶聯劑0. 8 1. 5%、穩定劑0. 03 0. 1 %、水溶性樹脂0. 7 1. 0%、 分散劑3. 0 4. 5 %、潤溼劑1. 5 3. 0 %、防沉劑0. 09 0. 25 %、非離子乳化劑0. 4 1. 0%、ρΗ調節劑0. 003 0. 007%、去離子水60 70%。
上述納米水性導電炭黑色漿根據需要還可包括防凍劑0. 001 0. 01 %、殺菌劑0.001 0. 06%，優選防凍劑 0. 003 0. 006%、殺菌劑 0. 015 0. 40%。
上述各組分中
所述導電炭黑其比表面積-約700-800m2/g，孔體積為310_345ml/100g，粒徑 100-125 μ mo
所述粉體分散劑選用聚丙烯酸鈉、萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物、苯磺酸鈉鹽甲醛縮合物中的一種或者多種。
所述偶聯劑選用鉻絡合物偶聯劑、矽烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑中的一種或者多種。
所述的潤溼劑選用烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯，分子結構式如下
權利要求
1.一種納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，包括下述重量百分比的組分導電炭黑10. 0 51. 0%、粉體分散劑0. 05 1. 5%、偶聯劑0. 5 2. 5%、穩定劑 0. 01 0. 30%、水溶性樹脂0. 1 2. 0%、分散劑1. 0 7. 0%、潤溼劑0. 5 4. 0%、防沉劑0. 01 0. 3%、非離子乳化劑0. 1 1. 5%、pH調節劑0. 001 0. 01%、去離子水30 87%。
2.根據權利要求1所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，還包括防凍劑0.001 0. 01%、殺菌劑 0. 001 0. 06%。
3.根據權利要求1所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑15.0 40.0%、粉體分散劑0.2 1.5%、偶聯劑0. 6 2. 4%、穩定劑0. 015 0. 25%、水溶性樹脂0. 2 1. 5%、分散劑1. 5 6. 5%、潤溼劑 0. 9 3. 5%、防沉劑0. 02 0.、非離子乳化劑0. 2 1. 4%、pH調節劑0. 001 0.009%、去離子水45 80%。
4.根據權利要求1所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑18. 0 30. 0%、粉體分散劑0. 35 1. 4%、偶聯劑0. 7 2.0%,穩定劑0. 02 0. M %、水溶性樹脂0. 35 1. 4%、分散劑2. 0 5. 5 %、潤溼劑1.0 3. 2%、防沉劑0. 04 0. 26%、非離子乳化劑0. 3 1. 3%、pH調節劑0. 002 0.008%、去離子水55 75%。
5.根據權利要求1所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述組份的重量百分比數值優選範圍為導電炭黑20. 0 觀.0%、粉體分散劑0. 4 1. 0%、偶聯劑0. 8 1.5%、穩定劑0. 03 0. 1 %、水溶性樹脂0. 7 1. 0%、分散劑3. 0 4. 5%、潤溼劑1. 5 3.0%、防沉劑0. 09 — 0. 25%、非離子乳化劑0. 4 1. 0%、pH調節劑0. 003 0. 007%、去離子水60 70%。
6.根據權利要求1-5任一項所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述的導電炭黑其比表面積為700-800m2/g，孔體積為310-345ml/100g，粒徑100-125 μ m。
7.根據權利要求1-5任一項所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述粉體分散劑是聚丙烯酸鈉、萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物、苯磺酸鈉鹽甲醛縮合物中的一種或者多種。
8.根據權利要求1-5任一項所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述偶聯劑是鉻絡合物偶聯劑、矽烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑中的一種或者多種。
9.根據權利要求1-5任一項所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述的潤溼劑是烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯，分子結構式如下R~(^j~O — -CH2CH2O--PO3H2Jn其中R基團是甲基、乙基、丙基、異丙基、辛基、己基、戊基和十三烷基，η值為3-10。
10.根據權利要求1-5任一項所述的納米水性導電炭黑色漿，其特徵在於，所述的穩定劑是硬脂酸、硬脂酸鋅、硬質酸鈉、硬脂酸鈣、硬脂酸單甘脂和磷酸三丁酯中的一種或多種。
11.一種納米水性導電炭黑色漿的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)幹法研磨分散導電炭黑將導電炭黑和粉體分散劑按配比混合研磨分散，得到細度均一的導電炭黑粉體；(2)幹法改性分散導電炭黑在分散好的導電炭黑中按配比加入偶聯劑、穩定劑和水溶性樹脂，置於PSC粉體表面改性機中，設定溫度和轉速的條件下進行幹法改性，製備改性導電炭黑粉體；(3)導電炭黑色漿的製備在通過步驟( 製備的改性導電炭黑粉體中按配比加入分散劑、潤溼劑、防沉劑、非離子乳化劑、PH調節劑和去離子水，或進一步添加防凍劑及殺菌劑，經過潤溼、分散、研磨和過濾，最後得到導電炭黑含量為10-30%的納米級水性導電炭黑色漿。
12.根據權利要求11所述的納米水性導電炭黑色漿的製備方法，其特徵在於，所述製備方法中包括下述重量百分比組分的原料導電炭黑10.0 51.0%、粉體分散劑0. 05 1.5%、偶聯劑0. 5 2. 5 %、穩定劑 0. 01 0. 30%、水溶性樹脂0. 1 2. 0%、分散劑1. 0 7. 0%、潤溼劑0. 5 4. 0%、防沉劑0. 01 0. 3%、非離子乳化劑0. 1 1. 5%、防凍劑0. 001 0. 01%、殺菌劑0. 001 0. 06%、pH調節劑0. 001 0. 01%、去離子水30 87%。
13.根據權利要求11或12所述的納米水性導電炭黑色漿的製備方法，其特徵在於，所述步驟1)中研磨時間為0. 5 1. 0h，溫度控制在40°C。
14.根據權利要求11或12所述的納米水性導電炭黑色漿的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)中設定改性溫度60 80°C，轉速100 ^Orpm，處理時間0. 5 1. 5h。
15.根據權利要求11或12所述的納米水性導電炭黑色漿的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)中採用高速分散機分散0. 5 1.證，轉速1000 1500rpm，然後應用臥式研磨機處理，再導入反應釜中，加入PH調節劑分散，再在低速攪拌0. 5 1. Oh,自然降溫至室溫後經過振動篩過濾，然後密封包裝即可。
全文摘要
本發明提供了一種納米水性導電炭黑色漿，包括導電炭黑10.0～51.0％、粉體分散劑0.05～1.5％、偶聯劑0.5～2.5％、穩定劑0.01～0.30％、水溶性樹脂0.1～2.0％、分散劑1.0～7.0％、潤溼劑0.5～4.0％、防沉劑0.01～0.3％、非離子乳化劑0.1～1.5％、pH調節劑0.001～0.01％、去離子水30～87％。本發明通過物理和化學相結合的方法，採用幹法研磨分散、幹法表面改性和溼法研磨技術製備上述導電炭黑色漿。不但解決了導電炭黑分散難的問題，而且色漿的粒徑分布窄，與粘結樹脂有良好的相容性，炭黑含量高，塗料成膜後能很大程度上降低塗層的電阻，製備的導電色漿穩定性好。
文檔編號C09D7/12GK102532975SQ20111044468
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者張海清, 李德永, 李紹昌, 羊輝, 韓昌哲 申請人:深圳市樂普泰科技股份有限公司