CN112266548A - 一种长效抗静电发泡聚氯乙烯 - Google Patents

一种长效抗静电发泡聚氯乙烯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，本发明所设计的长效抗静电发泡聚氯乙烯采用还原氧化石墨烯和碳纳米管作为抗静电剂。在抗静电发泡聚氯乙烯制备过程中首先将还原氧化石墨烯和碳纳米管制备一种抗静电母粒，为了改善还原氧化石墨烯和碳纳米管在聚氯乙烯中的分散性，采用油酸、单硬脂酸甘油酯和KH‑560 (3‑缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷)作为表面活性剂，在发泡过程中油酸、单硬脂酸甘油酯以及KH560不再去除。还原氧化石墨烯和碳纳米管的比例可以在一定范围内变化，但是还原氧化石墨烯和碳纳米管混合物的比表面积要大于80 m2/g，还原氧化石墨烯和碳纳米管与聚氯乙烯的比例介于1：50和1：400之间，其最佳范围介于1：100和1：300之间。

Description

一种长效抗静电发泡聚氯乙烯
技术领域
本发明涉及化工领域，尤其涉及一种长效抗静电发泡聚氯乙烯。
背景技术
静电是一种自然现象，在日常的生产、生活中普遍存在，尤其在北方干燥的气候下，静电更是常见。随着化纤、塑料类产品得到广泛应用，容易产生静电的环境也逐年增加，每年由于静电毁坏产品而造成的损失高达数亿美元。为了改善材料的抗静电性能，通常的做法是在材料的表面或者体相中添加一定量的抗静电剂，目前消耗静电剂最多的塑料是聚烯烃树脂。
发泡聚氯乙烯（PVC）是以PVC为主要原料挤压形成的可发性、高泡沫塑料制品，具有闭孔结构、热导率低、吸湿和渗透性小、抗腐蚀、吸收冲击性好以及优良的电绝缘性能等特点，广泛用于包装、运输、建筑、工业方案以及休闲体育等领域，它是一种新型、永不衰退的材料，可回收循环利用。但是，在使用过程中极易产生静电，尤其是其表面泡孔结构导致的不连续性，使其极易产生静电。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术不足之处，设计了一种具有长久抗静电性能的发泡PVC材料，本发明采用还原氧化石墨烯和碳纳米管作为抗静电剂，二者在发泡聚氯乙烯中形成了连续的三维网络结构，实现了长效抗静电的目的。
一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其制备方法包含以下步骤：
1、将单硬脂酸甘油酯加热熔融，以质量比1：1：1的比例加入油酸和KH560，充分搅拌混合均匀后得到表面活性剂，其中的KH560为偶联剂，改善碳材料与PVC的界面相容性，提高结合强度。
2、将表面活性剂、还原氧化石墨烯和碳纳米管三者充分混合均匀，其中还原氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为1：1，表面活性剂与（石墨烯+碳纳米管）的质量比为1：10，将三种物质在混料机中充分混合均匀，得到稍有粘性的黑色混合物。
3、将2中所得黑色混合物与PVC混合以1：10的质量比在混料机中混合均匀，送入造粒机进行造粒加工，制备抗静电母粒。
4、第3中所得抗静电母粒与PVC混合均匀，送入发泡机或挤出机进行加工，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡，发泡工艺为传统工艺；
所制备的长效抗电发泡聚氯乙烯颜色一般介于灰色和灰黑色之间，发泡聚氯乙烯的颜色取决于还原氧化石墨烯和碳纳米管的含量。
进一步的，为了改善碳纳米管与还原氧化石墨烯的抗静电性，在实际生产过程中还根据实际情况调整碳纳米管和还原氧化石墨烯的比例，通常根据二者的比表面积大小进行调整，当还原氧化石墨烯的比表面积大于100 m2/g、碳纳米管的比表面积大于还原氧化石墨烯的比表面积时，二者的质量比可以选为1：1，当原氧化石墨烯的比表面积较小时，应该适当增加碳纳米管的比例，使二者混合物的比表面积大于80 m2/g，从而保证碳纳米管和还原氧化石墨烯在聚氯乙烯中形成相互联通的三维导电网络结构，从而达到良好的抗静电效果。
进一步的，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，抗静电母粒与聚氯乙烯的质量比根据需要抗静电指标要求可以在1：10到1：20之间进行调整。
进一步的，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，为提高材料的流动性，可以将发泡机的中间段温度比传统工艺提升5～10℃。也就是155～165℃
进一步的，还原氧化石墨烯和碳纳米管与聚氯乙烯的比例介于1：50和1：400之间；
优选的，其最佳范围介于1：100和1：300之间。
本发明的有益效果是：本专利结合还原氧化石墨烯和碳纳米管的结构特性，采用油酸、单硬脂酸甘油酯和KH-560 (3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷)等表面活性剂改善还原氧化石墨烯、碳纳米管与PVC的界面相容性，将碳纳米管、还原氧化石墨烯均匀的分散在PVC中形成三维联通的导电网络，解决了现有技术中发泡聚氯乙烯在使用过程中极易产生静电的问题，实现了恒久抗静电的目的。
附图说明
图1是本发明所述的一种长效抗静电发泡聚氯乙烯制备工艺流程图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
1.理论研究概述：
PVC的抗静电处理方法通常有两种方式，一是采用涂覆法，也就是在PVC材料的表面涂覆一层导电性材料；二是采用内添加法，在PVC中添加铝箔、铜箔、碳纤维、无机纳米粒子以及抗静电高分子材料等导电性材料。
刘一等研究了抗静电PVC的制备和研究（绿色包装研究，2016，4：35-37），分析了外部涂覆材料对抗静电性能的影响。王克峰等研究了煤矿用PVC阻燃输送带抗静电性能（河南化工，2011，24(9):29-31），结果表明在PVC中添加一定的非离子表面活性剂KJ-210和导电乙炔黑可以改善PVC的抗静电性能，同时还改善了PVC的阻燃性能。纳米碳材料的加入也会影响到PVC的机械性能，程博等对纳米石墨微片性能的研究表明，随着PVC中石墨片含量的增加，其机械性能呈现先增强后降低的现象，这应该是由于PVC与石墨片的相互作用所造成的。胡树等综述了高分子材料用抗静电剂的作用机理和使用方法，指出了高分子材料抗静电性能的影响因素（塑料助剂2018，1：46-52）。周辉研究了用于PVC、PP、PE材料的通用型抗静电阻燃添加剂（新材料与新技术，2016，42(4):86），结果表明使用通用型抗静电阻燃添加剂后，所生成的新抗静电阻燃材料不仅具有良好的耐久性，而且抗静电性能也明显提高，这应该是由于材料中多个功能性基团相互作用的结果。
在研究抗静电剂添加的同时，碳材料为基础的抗静电剂由于导电性高、耐腐蚀性强和长寿命的特性而日益得到大家的关注。苗广远等研究了添加氧化石墨烯的纯棉织物的抗静电整理工艺（纺织导报,2016，09:101-103），对比和筛选了氧化石墨烯浓度、棉织物浸渍温度、浸渍时间和还原温度、还原时间等因素对织物抗静电性能的影响，最终确定了氧化石墨烯纯棉织物抗静电整理的最佳工艺。与石墨烯基材料相比，导电炭黑具有更低的价格和更成熟的生产工艺，采用导电炭黑做抗静电剂具有其天然的成本优势和性能优势，但是如何均匀的将导电碳黑分散到高分子材料中一直是大家关注的重点。
宋永明等研究了导电炭黑对木粉/PP复合材料的抗静电及力学性能的影响（广东化工，2016，43(20):76-78），研究证明当导电炭黑的添加量达到8份时，复合材料的表面电阻率和体积电阻率分别达到1.64×108 Ω 和2.54×108 Ω·cm，具有较好的抗静电效果；在马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)的存在下，导电炭黑提高了木粉/PP 复合材料的抗弯性能。马来酸酐接枝聚丙烯改善了炭黑在PP中的分散性，改善了二者的界面结合性能。这些研究都表明，碳基材料在改善塑料的抗静电方面具有良好的应用前景，碳基材料在塑料中的分散性能极大的影响到材料的抗静电性能。采用碳基材料改善PVC的抗静电性研究发现如何改善碳基材料与PVC的界面相容性以及如何将碳基材料构建成三维立体导电网络结构是提高抗静电性能的重点。
2.具体制备方法：
参照说明书附图图1，一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其制备方法包含以下步骤：
1、将单硬脂酸甘油酯加热熔融，以质量比1：1：1的比例加入油酸和KH560，充分搅拌混合均匀后得到表面活性剂，其中的KH560为偶联剂，改善碳材料与PVC的界面相容性，提高结合强度。
2、将表面活性剂、还原氧化石墨烯和碳纳米管三者充分混合均匀，其中还原氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为1：1，表面活性剂与（石墨烯+碳纳米管）的质量比为1：10，将三种物质在混料机中充分混合均匀，得到稍有粘性的黑色混合物。
3、将2中所得黑色混合物与PVC混合以1：10的质量比在混料机中混合均匀，送入造粒机进行造粒加工，制备抗静电母粒。
4、第3中所得抗静电母粒与PVC混合均匀，送入发泡机或挤出机进行加工，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡，发泡工艺为传统工艺；
所制备的长效抗电发泡聚氯乙烯颜色一般介于灰色和灰黑色之间，发泡聚氯乙烯的颜色取决于还原氧化石墨烯和碳纳米管的含量。
进一步的，为了改善碳纳米管与还原氧化石墨烯的抗静电性，在实际生产过程中还根据实际情况调整碳纳米管和还原氧化石墨烯的比例，通常根据二者的比表面积大小进行调整，当还原氧化石墨烯的比表面积大于100 m2/g、碳纳米管的比表面积大于还原氧化石墨烯的比表面积时，二者的质量比可以选为1：1，当原氧化石墨烯的比表面积较小时，应该适当增加碳纳米管的比例，使二者混合物的比表面积大于80 m2/g，从而保证碳纳米管和还原氧化石墨烯在聚氯乙烯中形成相互联通的三维导电网络结构，从而达到良好的抗静电效果。
进一步的，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，抗静电母粒与聚氯乙烯的质量比根据需要抗静电指标要求可以在1：10到1：20之间进行调整。
进一步的，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，为提高材料的流动性，可以将发泡机的中间段温度比传统工艺提升5～10℃。也就是155～165℃
进一步的，还原氧化石墨烯和碳纳米管与聚氯乙烯的比例介于1：50和1：400之间；
优选的，其最佳范围介于1：100和1：300之间。
3.制备方法理论概述：
本发明的目的在于设计了一种具有长久抗静电性能的发泡PVC材料，本发明采用还原氧化石墨烯和碳纳米管作为抗静电剂，二者在发泡聚氯乙烯中形成了连续的三维网络结构，实现了长效抗静电的目的。
为了改善还原氧还原石墨烯和碳纳米管在聚氯乙烯中的分散性，本专利中采用油酸、单硬脂酸甘油酯和KH-560作为表面活性剂、偶联剂，改善还原氧化石墨烯、碳纳米管在聚氯乙烯中的分散均匀性并提高界面粘结合性能。
还原氧化石墨烯可以通过氧化石墨烯的化学还原反应或者热还原制备，还原氧化石墨烯既可以是单层结构，也可以多层结构。与此相对应，碳纳米管也同样既可以采用单壁碳纳米管也可以采用多壁碳纳米管。
为了改善还原氧化石墨烯和碳纳米管在PVC中的分散性，提高二者与PVC的界面相容性，同时提高二者与PVC的增加结合强度，提高生产效率，抗静电发泡聚氯乙烯的生产过程分为主要两个步骤，第一步是将碳纳米管和还原氧化石墨烯通过表面活性剂、偶联剂与聚氯乙烯混合制备成抗静电母粒；第二步是将抗静电母粒通过挤出机或发泡机在挤出或者发泡过程中进一步将还原氧化石墨烯、碳纳米管充分分散在聚氯乙烯中并形成联通三维网络结构，最终得到发泡抗静电聚氯乙烯。
4.具体实验数据：
实施例1：
1、在150 ℃将质量比为1：1：1的单硬脂酸甘油酯、油酸、KH560共2 kg混合均匀，得到表面活性剂。
2、在熔融的表面活性剂中加入比表面积为180 m2/g的还原氧化石墨烯与比表面积为200 m2/g的碳纳米管各1000 g，充分混合，表面活性剂充分吸附在还原氧化石墨烯与碳纳米管的表面。
3、将2中所制备的混合物与20 kgPVC在混料机中混合均匀后，进入造粒机进行造粒，造粒机的工作温度为150 ℃，所得抗静电目粒的颗粒大小为Φ3×5（mm）的圆柱形颗粒。为改善还原氧化石墨烯与碳纳米管在聚氯乙烯中分散均匀性，可以将所制备的母粒进行二次造粒，从而得到组分均匀分散的母粒。
4、将3中所制备的抗静电母粒与PVC按照1：10和1：20的比例充分混合均匀后在发泡机中进行发泡，制备不同族组分的抗静电发泡聚氯乙烯。1：10和1：20所制备发泡聚氯乙烯测得的表面电阻分别为2欧姆和300欧姆。
5、对发泡PVC的抗静电耐久性测试结果表明，在室内自然条件下放置30天后，表面电阻基本没有发生变化，这证明材料也具有良好的长效抗静电性能。
实施例2：
1、采用比表面积为60 m2/g的还原氧化石墨烯，与比表面积为130 m2/g的碳纳米管，二者的比例为1：1.2，制备均匀混合物2 kg待用。
2、取2 kg质量比为1：1：1的单硬脂酸甘油酯、油酸和KH560表面活性剂，与混合物材料与2 kg充分混合。
3、取2 kg步骤2中所制备混合物与20 kg PVC在混料机中充分混合后在造粒机中进行造粒，得到Φ3×5（mm）的抗静电母粒。
4、取抗静电母粒与聚氯乙烯按照为1：8和1：15的质量混合均匀后比分别进行发泡，得到两种发泡聚氯乙烯，所制备发泡聚氯乙烯的表面电阻分别为50欧姆和660欧姆。
5、所制备发泡抗静电PVC在室内自然条件下放置30天后，测试表面电阻基本没有发生变化，这证明材料也具有良好的长效抗静电性能。
实施例3：
1、采用比表面积为80 m2/g的还原氧化石墨烯，与比表面积为180 m2/g的碳纳米管，二者的比例为1：1.5制备混合物。
2、以质量比为1：1：1的单硬脂酸甘油酯、油酸和KH560制备表面活性剂，取步骤1中所制备的混合物2 kg与2 kg表面活性剂充分混合混匀。
3、将步骤2中所制备混合物2kg与20 kg PVC在混料机中混合均匀，在造粒机中进行造粒，造粒机工作温度为150℃，得到进行造粒，得到Φ3×5（mm）的抗静电母粒。
4、该抗静电母粒与聚氯乙烯按照质量比为1：15和1：30分别进行发泡，得到两种发泡聚氯乙烯，所制备发泡聚氯乙烯测得的表面电阻分别为500欧姆和3300欧姆。这证明二者也具有良好的抗静电性能。
5、将步骤4中所制备抗静电发泡聚乙烯室内自然条件下放置30天后，测试证明表面电阻基本没有发生变化，这证明材料也具有良好的长效抗静电性能。
实施例4：
1、将质量比为1：1还原氧化石墨烯与碳纳米管混合均匀，其中还原氧化石墨烯的比表面积为100 m2/g，纳米管的比表面积为150 m2/g。
2、质量比为1：1：1的单硬脂酸甘油酯、油酸和KH560充分融化混合均匀，得到表面活性剂。
3、取步骤1中所制备的混合物材料2 kg与步骤2中所的表面活性剂2 kg混合均匀，得到黑色略有粘性的黑色混合物。
4、取步骤3中所制备的黑色混合物2 kg与20 kg PVC混合在混料机中混合均匀，然后在造粒机中进行造粒，Φ3×5（mm）的抗静电母粒。
5、该抗静电母粒与聚氯乙烯按照质量比为1：15和1：20分别进行发泡，得到两种发泡PVC对应的表面电阻分别为420欧姆和800欧姆。这证明二者具有良好的抗静电性能。其耐久性测试结果表明，在室内自然条件下放置30天后，表面电阻没有发生变化，这证明材料也具有良好的长效抗静电性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其特征在于：其制备方法包含以下步骤：
1、将单硬脂酸甘油酯加热熔融，以质量比1：1：1的比例加入油酸和KH560，充分搅拌混合均匀后得到表面活性剂，其中的KH560为偶联剂，改善碳材料与PVC的界面相容性，提高结合强度；
2、将表面活性剂、还原氧化石墨烯和碳纳米管三者充分混合均匀，其中还原氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为1：1，表面活性剂与（石墨烯+碳纳米管）的质量比为1：10，将三种物质在混料机中充分混合均匀，得到稍有粘性的黑色混合物；
3、将2中所得黑色混合物与PVC混合以1：10的质量比在混料机中混合均匀，送入造粒机进行造粒加工，制备抗静电母粒；
4、第3中所得抗静电母粒与PVC混合均匀，送入发泡机或挤出机进行加工，抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡，发泡工艺为传统工艺；
所制备的长效抗电发泡聚氯乙烯颜色一般介于灰色和灰黑色之间，发泡聚氯乙烯的颜色取决于还原氧化石墨烯和碳纳米管的含量。
2.根据权利要求1所述的一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其特征在于：当还原氧化石墨烯的比表面积大于100 m2/g、碳纳米管的比表面积大于还原氧化石墨烯的比表面积时，二者的质量比可以选为1：1，当原氧化石墨烯的比表面积较小时，应该适当增加碳纳米管的比例，使二者混合物的比表面积大于80 m2/g，从而保证碳纳米管和还原氧化石墨烯在聚氯乙烯中形成相互联通的三维导电网络结构，从而达到良好的抗静电效果。
3.根据权利要求1所述的一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其特征在于：抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，抗静电母粒与聚氯乙烯的质量比根据需要抗静电指标要求可以在1：10到1：20之间进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其特征在于：抗静电母粒与聚氯乙烯在发泡机中进行发泡时，为提高材料的流动性，可以将发泡机的中间段温度比传统工艺提升5～10℃；也就是155～165℃。
5.根据权利要求1所述的一种长效抗静电发泡聚氯乙烯，其特征在于：还原氧化石墨烯和碳纳米管与聚氯乙烯的比例介于1：50和1：400之间；
优选的，其最佳范围介于1：100和1：300之间。
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