CN115678219A - 一种petg导电复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳纳米管塑料导电复合材料技术领域，具体涉及一种PETG导电复合材料及其制备方法和应用。制备方法包括：(1)将PETG树脂、硅烷偶联剂、抗氧剂混合均匀，得到混合物料A；(2)将碳纳米管、分散剂混合均匀，混合温度为100‑120℃，得到混合物料B；(3)将混合物料A从双螺杆挤出机主喂料口加入；(4)将混合物料B从双螺杆挤出机侧喂料口加入；(5)混合物料A和混合物料B在双螺杆挤出机的作用下充分混炼挤出、冷却、切粒，即得PETG导电复合材料。本发明工艺简便、操作能耗低，使用该复合材料后续加工出的防静电3D打印线材，表现出更优秀的导电性能和力学性能以及更光滑平整的外观。
Description
技术领域
本发明涉及碳纳米管塑料导电复合材料技术领域，具体涉及一种PETG导电复合材料及 其制备方法和应用。
背景技术
碳纳米管作为一维纳米材料，具有优异的物理机械性能，其主要是由呈六边形排列的碳 原子构成的数层到数十层的同轴圆管。它具有非常大的长径比，直径通常在1-100nm之间， 长度在数微米到数百微米。正是由于其大的长径比，碳纳米管在力学、电学、导电导热性能 方面都表现非常优异。
3D打印技术又称快速成型技术或增材制造，它依据计算机软件设计数据，采用离散材料 通过逐层累加的方式制造三维实体，具有自动化程度高、生产灵活、成本低等特点，被广泛 应用于建筑行业、模具制造、航空航天、电子通信产品以及生物医疗等领域。
熔融沉积成型(FDM)是目前应用最普遍的3D打印技术之一，其采用热熔喷头，使塑性材 料经熔化后从喷头内挤出，最后熔融沉积于所需要打印的位置，逐层堆积打印成型，最终形 成一个完整的打印实体，具有成本低、操作简便、可靠性高等优点。
随着3D打印技术的快速发展，具有特殊性能要求的打印元件日益增多。例如，一些具 有防静电性能要求的打印件，因此，制备出具有防静电功能的3D打印材料有重要的意义。
发明内容
针对目前缺乏具有防静电功能的3D打印件的技术问题，本发明提供一种PETG导电复 合材料及其制备方法和应用，通过特定的工艺对碳纳米管和PETG树脂进行预先处理，然后 分别送入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机共混挤出得到分散良好的PETG导电复合材料。 本发明工艺简便、操作能耗低，使用该复合材料后续加工出的防静电3D打印线材，表现出 更优秀的导电性能和力学性能以及更光滑平整的外观。
第一方面，本发明提供一种PETG导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将80重量份PETG树脂、0.1-1重量份硅烷偶联剂、0.1-1重量份抗氧剂混合均匀， 得到混合物料A；
(2)将1-20重量份碳纳米管、0.5-5重量份分散剂混合均匀，混合温度为100-120℃， 得到混合物料B；
(3)将混合物料A从双螺杆挤出机主喂料口加入；
(4)将混合物料B从双螺杆挤出机侧喂料口加入；
(5)混合物料A和混合物料B在双螺杆挤出机的作用下充分混炼挤出、冷却、切粒，即得PETG导电复合材料。
进一步的，步骤(1)的PETG树脂熔体质量流动速率范围是5-8g/10min(230℃，2.16kg)；
硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷中的至少一 种，优选为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；
抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂1010中的至少一种。
进一步的，步骤(2)的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至 少一种；
分散剂为乙撑双硬脂酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种，优选为季戊四醇硬脂酸 酯。
进一步的，步骤(1)使用回旋式搅拌机混合PETG树脂、硅烷偶联剂和抗氧剂；
步骤(2)使用高混机混合碳纳米管和分散剂；
步骤(3)使用单螺杆失重式喂料机将混合物料A送入到双螺杆挤出机中；
步骤(4)使用双螺杆失重式喂料机将混合物料B送入到双螺杆挤出机中。
进一步的，步骤(5)中，双螺杆挤出机各区的温度分别为210-220℃、230-240℃、230-240℃、 230-240℃、230-240℃、230-240℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、 230-240℃，双螺杆转速为300-400rpm。
第二方面，本发明提供一种采用上述制备方法得到的PETG导电复合材料。
第三方面，本发明还提供一种上述PETG导电复合材料在制备防静电3D打印线材上的 应用。
进一步的，PETG导电复合材料可作为高碳纳米管含量的塑料母粒直接使用，也可以用 PETG树脂稀释为低份数碳纳米管含量的专用料使用。
本发明的有益效果在于：
本发明采用季戊四醇硬脂酸酯或乙撑双硬脂酸酰胺处理碳纳米管，有效改善了碳纳米管 的加工性能，明显降低了产品的加工能耗；通过对碳纳米管和PETG原料的预处理，有效的 改善了碳纳米管的分散性，从而表现出更好的导电性能和力学性能。本发明制备工艺简单稳 定，条件易于控制，可实现批量化生产。本发明制备的3D打印线材，表面光滑无麻点，力 学性能好，而且还具有更优秀的导电性能。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的 技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
具体实施方式使用的原材料如下：
PETG树脂：韩国sk，K2012；
多壁碳纳米管，山东大展纳米材料有限公司，GC-21；
季戊四醇硬脂酸酯：美国龙沙，Glycolube P；
乙撑双硬脂酸酰胺：印尼，P130；
抗氧剂168：北京极易化工有限公司；
抗氧剂1010：北京极易化工有限公司；
硅烷偶联剂KH-550：山东恒裕新材料有限公司；
硅烷偶联剂KH-560：山东恒裕新材料有限公司。
一种PETG导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将80重量份PETG树脂、0.1-1重量份硅烷偶联剂加入到回旋式搅拌机中，混合均 匀，再加入0.1-1重量份抗氧剂，混合均匀，得到混合物料A；
(2)将1-20重量份碳纳米管、0.5-5重量份分散剂在100-120℃的高混机中混合均匀， 得到混合物料B；
(3)使用单螺杆失重式喂料机将混合物料A从双螺杆挤出机主喂料口加入；
(4)使用双螺杆失重式喂料机将混合物料B从双螺杆挤出机侧喂料口加入；
(5)混合物料A和混合物料B在双螺杆挤出机的作用下充分混炼挤出、冷却、切粒，各区的温度分别为210-220℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、230-240℃，双螺杆转速为300-400rpm， 即得PETG导电复合材料。
按照表1记载的各实施例原料用量、双螺杆挤出机电流及上述制备方法，分别制备实施 例1-3的PETG导电复合材料。
表1实施例1-3的各原料用量(重量份)和双螺杆挤出机电流
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 |
| PETG树脂 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| 硅烷偶联剂KH-550 | 0.5 | / | 0.5 | / |
| 硅烷偶联剂KH-560 | / | 0.5 | / | / |
| 抗氧剂168 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 抗氧剂1010 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 碳纳米管 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 季戊四醇硬脂酸酯 | 2 | 2 | / | / |
| 乙撑双硬脂酸酰胺 | / | / | 2 | / |
| 双螺杆挤出机电流，A | 26.5 | 27.1 | 28.2 | 32.8 |
对比例1
对比例1与实施例1的实施例1-3的区别在于原料中不加入硅烷偶联剂和分散剂。
对实施例1-3和对比例1的PETG导电复合材料的导电性能和表面光滑度进行测试，其 中导电性能使用直流低电阻测试仪(HPS2512)测试，测试样条直径为3mm，夹子之间的距离为5cm；表面光滑度为通过肉眼观察挤出样条的表面状况，分优、良、差3个等级，优为 表面几乎无麻点，良为表面有少量的麻点，差为表面有大量的麻点。测试结果如下表2所示。
表2实施例1-3和对比例1的PETG导电复合材料测试结果
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 |
| 样条体积电阻率，Ω·cm | 18.7 | 21.4 | 23.5 | 41.3 |
| 表面光滑度 | 优 | 优 | 优 | 良 |
取实施例1-3和对比例1的PETG导电复合材料分别加入到PETG树脂中稀释，作为低份数碳纳米管含量的专用料(实施例4-6、对比例2)，PETG导电复合材料与PETG树脂的重 量比为27：73。
对实施例4-6和对比例2的专用料的导电性能、力学性能和表面光滑度进行测试，其中 导电性能使用重锤式电阻仪(PRS-801)，测试样品尺寸为100*100*3mm方板；简支梁缺口 冲击强度使用摆锤式冲击试验机，拉伸强度、弯曲强度使用电子万能试验机，测试样品尺寸 均为标准尺寸；表面光滑度为通过肉眼观察挤出样条的表面状况，分优、良、差3个等级， 优为表面几乎无麻点，良为表面有少量的麻点，差为表面有大量的麻点。测试结果如下表3 所示。
表3实施例4-6和对比例2的PETG导电复合材料测试结果
| 项目 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 对比例2 |
| 样板体积电阻率，Ω·cm | 5.4E+05 | 1.2E+06 | 2.8E+06 | 1.7E+07 |
| 简支梁缺口冲击强度，KJ/m<sup>2</sup> | 6.69 | 6.64 | 6.06 | 5.06 |
| 拉伸强度，Mpa | 57.61 | 54.36 | 50.42 | 44.67 |
| 弯曲强度，Mpa | 87.56 | 85.34 | 78.88 | 72.54 |
| 表面光滑度 | 优 | 优 | 优 | 良 |
对表2、表3的测试数据分析发现，硅烷偶联剂选择KH-550，分散剂选择季戊四醇硬脂 酸酯制备的PETG导电复合材料性能最好。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离 本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的 修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员 在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种PETG导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将80重量份PETG树脂、0.1-1重量份硅烷偶联剂、0.1-1重量份抗氧剂混合均匀，得到混合物料A；
(2)将1-20重量份碳纳米管、0.5-5重量份分散剂混合均匀，混合温度为100-120℃，得到混合物料B；
(3)将混合物料A从双螺杆挤出机主喂料口加入；
(4)将混合物料B从双螺杆挤出机侧喂料口加入；
(5)混合物料A和混合物料B在双螺杆挤出机的作用下充分混炼挤出、冷却、切粒，即得PETG导电复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)的PETG树脂在230℃，2.16kg负载下的熔体质量流动速率范围是5-8g/10min；硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂1010中的至少一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种；分散剂为乙撑双硬脂酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)使用回旋式搅拌机混合PETG树脂、硅烷偶联剂和抗氧剂；步骤(2)使用高混机混合碳纳米管和分散剂；步骤(3)使用单螺杆失重式喂料机将混合物料A送入到双螺杆挤出机中；步骤(4)使用双螺杆失重式喂料机将混合物料B送入到双螺杆挤出机中。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，双螺杆挤出机各区的温度分别为210-220℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、230-240℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、220-230℃、230-240℃，双螺杆转速为300-400rpm。
6.一种采用如权利要求1-5任一所述的制备方法得到的PETG导电复合材料。
7.一种如权利要求6所述的PETG导电复合材料的应用，其特征在于，使用PETG导电复合材料制备防静电3D打印线材。
8.一种如权利要求7所述的应用，其特征在于，PETG导电复合材料作为塑料母粒直接使用，或用PETG树脂稀释后作为专用料使用。
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