一种碳纳米管/尼龙复合材料及其制备方法与导电应用与流程

[0001]
本发明属于高分子导电复合材料领域，具体涉及一种碳纳米管/尼龙复合材料的制备方法。


背景技术：

[0002]
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]
尼龙是一类性能优异的工程塑料，常用的尼龙包括6和66，具有良好力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学溶剂性、自润滑性。由于自身导电性差，在电器、电子等领域应用时受到限制。
[0004]
为了提高尼龙材料导电性，往往需要添加炭黑、石墨烯、碳纳米管、导电石墨等导电填料，添加量超过愈渗值后尼龙材料的导电性可以显著提高。由于碳纳米管具有粒径小，长径比高的特点，添加量小于10％就能显著提高尼龙材料的导电性，因此应用广泛。
[0005]
但是在尼龙中加入碳纳米管后材料的冲击强度会显著下降，为了改善材料的冲击韧性，往往需要加入聚烯烃类的增韧剂。发明人发现：这些增韧剂在尼龙材料中往往会包裹住碳纳米管等导电填料，虽然改善了尼龙材料的冲击韧性，但是会导致材料导电性显著降低。


技术实现要素：

[0006]
为了克服上述问题，本发明提出了一种碳纳米管/尼龙6或者碳纳米管/尼龙66共混物，采用等离子体技术、含双键的硅烷偶联剂依次对碳纳米管进行处理，得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管，将这种改性碳纳米管与尼龙和聚烯烃增韧剂进行熔融混合，在挤出成型，碳纳米管在聚烯烃弹性体表面的锚定，最终达到了将碳纳米管限制在尼龙/增韧剂界面处的目的，使得尼龙材料电阻率降低到102～103ω
·
m，同时材料具有良好的冲击韧性。
[0007]
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
[0008]
本发明的第一个方面，提供了一种碳纳米管/尼龙复合材料的制备方法，包括：
[0009]
采用等离子体对碳纳米管进行表面改性；
[0010]
采用含双键的硅烷偶联剂对表面改性后的碳纳米管进行接枝处理，得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管；
[0011]
将所述表面含有双键官能团的极性碳纳米管与聚烯烃增韧剂、尼龙、引发剂熔融混合，挤出成型，即得。
[0012]
本发明的原理是：采用等离子体技术对碳纳米管进行表面改性，显著提高了表面极性，随后采用含双键的硅烷偶联剂kh550对碳纳米管表面进行接枝处理，最终得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管，将这种改性碳纳米管与尼龙和聚烯烃增韧剂进行熔融混
合，在挤出过程中碳纳米管由于表面的极性特征，与聚烯烃增韧剂这种非极性组份产生排斥作用，大量聚集在极性的尼龙相中，通过加入引发剂后，在聚烯烃增韧剂相表面产生活性位，可以打开碳纳米管表面的双键官能团，从而实现碳纳米管在聚烯烃弹性体表面的锚定，最终达到了将碳纳米管限制在尼龙/增韧剂界面处的目的，使得弹性体不会包裹碳纳米管，显著提高了碳纳米管导电效率。
[0013]
本发明的第二个方面，提供了一种碳纳米管/尼龙复合材料，由如下重量份的原料组成：尼龙74～93.7份、表面含有双键官能团的极性碳纳米管1～10份、增韧剂5～10份、引发剂0.1～2份、抗氧剂0.1～2份。
[0014]
由于碳纳米管位于尼龙/增韧剂界面处，因此只需要加入3～4％的用量就能使得尼龙材料电阻率降低到102～103ω/cm，同时材料具有良好的冲击韧性。
[0015]
本发明的第三个方面，提供了上述的碳纳米管/尼龙复合材料在汽车、电子、机械、轨道交通、体育器械中的应用。
[0016]
由于本发明制备的碳纳米管/尼龙复合材料同时具有较好的导电性和冲击韧性，因此，有望在汽车、电子、机械、轨道交通、体育器械中得到广泛的应用。
[0017]
本发明的有益效果在于：
[0018]
(1)本发明采用等离子体技术、含双键的硅烷偶联剂依次对碳纳米管进行处理，得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管，将这种改性碳纳米管与尼龙和聚烯烃增韧剂进行熔融混合，在挤出机中，碳纳米管由于表面的极性特征，与聚烯烃增韧剂这种非极性组份产生排斥作用，大量聚集在极性的尼龙相中，通过加入引发剂后，在聚烯烃增韧剂相表面产生活性位，可以打开碳纳米管表面的双键官能团，从而实现碳纳米管在聚烯烃弹性体表面的锚定，最终达到了将碳纳米管限制在尼龙/增韧剂界面处的目的，使得尼龙材料电阻率降低到102～103ω/cm，同时材料具有良好的冲击韧性。
[0019]
(2)本发明的方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。
具体实施方式
[0020]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0021]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0022]
一种碳纳米管/尼龙复合材料的制备方法，包括：
[0023]
采用等离子体对碳纳米管进行表面改性；
[0024]
采用含双键的硅烷偶联剂对表面改性后的碳纳米管进行接枝处理，得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管；
[0025]
将所述表面含有双键官能团的极性碳纳米管与聚烯烃增韧剂、尼龙、引发剂熔融混合，挤出成型，即得。
[0026]
在一些实施例中，所述表面含有双键官能团的极性碳纳米管的用量为尼龙的3～
4％，即可使尼龙材料电阻率降低到102～103ω/cm，同时材料具有良好的冲击韧性，室温缺口冲击强度大于20kj/m2。
[0027]
在一些实施例中，所述表面改性的条件为：气体压强50～300pa、放电功率100～500w、放电时间5～30min，其中，气体为氧气、氮气，或者两者的混合物。采用等离子体技术对碳纳米管进行表面改性，显著提高了碳纳米管的表面极性。
[0028]
在一些实施例中，所述接枝处理的具体条件为：向表面改性后的碳纳米管中加入偶联剂混合均匀，升温到100～105℃保持60～90min，采用含双键的硅烷偶联剂kh550对极性碳纳米管表面进行接枝处理，得到表面含有双键官能团的极性碳纳米管。
[0029]
本申请对挤出成型的条件进行了优化，在一些实施例中，所述挤出成型的条件为在200℃～330℃下，主螺杆转速5～300转/分钟，喂料螺杆转速1～50转/分钟，以获得更优的尺寸精度。
[0030]
实际加工过程中，可以根据复合材料性能需要添加相应的助剂，对此本申请并不作特殊的限定。在一些实施例中，所述熔融混合过程中，还加入抗氧剂，以提高抗氧化性能。
[0031]
在一些实施例中，所述挤出成型的具体步骤包括：挤出、牵引、冷却、干燥、切粒，得到具有导电功能的尼龙复合材料。
[0032]
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
[0033]
以下实施例中，增韧剂为山东科华赛邦新材料股份有限公司的kh-rpa，引发剂为常州诺德化工新材料有限公司的过氧化二异丙苯，抗氧剂为巴斯夫公司的1010。
[0034]
实施例1：
[0035]
一种导电尼龙复合材料及制备方法。将尼龙6、碳纳米管、增韧剂、偶联剂、引发剂、抗氧剂按照重量份进行称量，其中尼龙6 90.7份、碳纳米管3份、增韧剂5份、偶联剂kh550 0.5份、引发剂0.3份、抗氧剂0.5份。首先利用低温等离子体技术对碳纳米管进行表面功能化处理：将其置于等离子体反应装置中，通入氧气/氨气混合气体(体积比50/50)，在气体压强50pa、放电功率100w、放电时间5min条件下对碳纳米管进行表面功能化处理，使其表面产生羟基、羧基、胺基等极性基团。然后等离子体处理后的碳纳米管放入高速混合机中，加入偶联剂混合30min，随后升温到100℃保持60min。随后将尼龙、处理的碳纳米管、增韧剂、偶联剂、引发剂、抗氧剂在高速混合机中混合30min，随后放入挤出机料斗中，在260℃之间，主螺杆转速150转/分钟，喂料螺杆转速25转/分钟条件下进行挤出，挤出物经过牵引、冷却、干燥、切粒，得到具有导电功能的尼龙复合材料。本发明制备的导电尼龙复合材料，具有导电性好、韧性高的特点，可以广泛应用于汽车、电子、机械、轨道交通、体育器械等领域。
[0036]
实施例2
[0037]
与实施例1的不同之处，尼龙为尼龙66。
[0038]
实施例3
[0039]
与实施例1的不同之处，表面功能化处理的条件为：200pa、放电功率300w、放电时间15min。
[0040]
实施例4
[0041]
与实施例1的不同之处，表面功能化处理的条件为：300pa、放电功率500w、放电时间30min。
[0042]
实施例5
[0043]
与实施例1的不同之处，尼龙6用量为85.7份，增韧剂用量为10份。
[0044]
对比例1
[0045]
与实施例1的不同之处，未进行等离子体处理。
[0046]
对比例2
[0047]
与实施例1的不同之处，未采用含双键的硅烷偶联剂进行接枝处理。
[0048]
表1导电尼龙复合材料电阻率与缺口冲击强度
[0049]
实施例电阻率/ω
·
s缺口冲击强度/kj
·
m2实施例13.5
×
10520.3实施例26.9
×
10528.6实施例37.1
×
10321.3实施例41.6
×
10420.4实施例55.9
×
10541.9对比例13.3
×
10714.2对比例22.8
×
10610.5
[0050]
从表1可以看到本发明制备的导电尼龙复合材料电阻率最低达到103ω
·
s，而纯尼龙材料的电阻率为108～109ω
·
s，电阻率下降了105～106倍，随着等离子体气体压强、放电功率以及时间的增加，尼龙复合材料电阻率持续下降，当不采用等离子体处理时，尼龙材料电阻率增加到107ω
·
s，不采用偶联剂处理时，尼龙材料电阻率则增加到106ω
·
s，说明本发明提出的等离子体加偶联剂处理的方法对于提高尼龙材料导电性能效果明显。
[0051]
电阻率测试根据gb/t15662-1995标准，缺口冲击强度测试根据iso 179/1ea。
[0052]
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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