一种低凝胶炭黑母粒及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及塑料着色技术领域，具体涉及一种低凝胶炭黑母粒及其制备方法。


背景技术：

[0002]
炭黑母粒是指将炭黑以一定比例浓缩添加在热塑性聚合物载体中。其热塑性聚合物载体一般包括：聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、abs等类型。其加工设备包括密炼机、连续混炼机及螺杆挤出机。由于炭黑具备导电导热、杀菌、抗紫外老化等特性，炭黑母粒广泛应用于家装及工程管材管件、电子产品及汽车配饰工程注塑、土工及农用、电缆及导电、抗静电包装产品的生产中。
[0003]
炭黑母粒的关键性能包括炭黑含量、色相、炭黑分散及炭黑母粒稀释性能。聚乙烯炭黑母粒的炭黑质量含量一般为40％～50％，由于高炭黑含量，在其市场应用中存在炭黑分散及炭黑母粒稀释问题，导致产品出现表观缺陷及应力集中点，这是由炭黑的高结构造成的。物理方法中炭黑的最小存在形式是凝聚体，以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示。这些凝聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体是这些炭黑具备高结构，并且由于炭黑的加工工艺，炭黑表面会残存少量如酚基、醌基、羧基、羟基等有机基团。聚乙烯炭黑母粒在生产过程中，在设备的强剪切力作用下，聚乙烯会断链并产生大量自由基，炭黑表面极性有机基团与断链产生的自由基形成氢键，这些氢键形成外力难以打断的基团，造成分散坏点。并且炭黑母粒存储过程中，在环境温度与湿度作用下，由于炭黑的高结构特性及聚乙烯分子链特性，炭黑所结合的柔性聚乙烯分子链更加紧密地结合在炭黑聚集体上，形成外力难以打开的交联结构，在产品中形成应力坏点。
[0004]
行业内目前的解决方案是将传统剪切型密炼机更换为连续密炼机，依靠连续密炼机在密炼剪切过程中的阶段式加压、拉伸、释放应力、加压的循环模式，达到减少炭黑母粒中凝胶基团的目的。但是该设备加工的产品，炭黑含量最高只能达到约39％，同样添加量情况下产品中炭黑含量不达标，影响产品的外观黑度及抗紫外老化性能。并且连续混炼机价格高昂，市场推广力度比剪切型密炼机差。
[0005]
申请号为201210547660.2公开了一种制作聚乙烯管材的混配料的炭黑母粒，炭黑母粒各组分的重量百分比为：炭黑32.2-50％，载体树脂47.2-65％，抗氧剂0.1-0.3％，硬脂酸盐0.5-2.5％。
[0006]
申请号为201610154819.2公开了一种用于高密度聚乙烯土工膜的炭黑母粒，各组分的质量百分比为：炭黑：30％-55％；载体树脂：45％-70％；主抗氧剂：0.1％-0.4％；辅助抗氧剂：0.1％-0.4％；润滑剂：0.1％-0.2％。
[0007]
申请号为201911324130.x公开了一种pe压力管道用hdpe载体炭黑母粒，由以下重量份的原料组成：hdpe载体树脂27-52.7份炭黑40-55份乙烯共聚物分散剂5-10份松香类助分散剂2-5份抗老化助剂0.3-3份。


技术实现要素：

[0008]
本发明是为了解决现有技术中炭黑母粒凝胶基团过高影响产品性能的技术问题，提供一种低凝胶炭黑母粒及其制备方法，能够有效降低炭黑母粒中凝胶基团的含量，提高产品的使用性能。
[0009]
本发明提供一种低凝胶炭黑母粒，由以下重量份的原料组成：改性聚乙烯85份，炭黑100份，第一加工助剂10份，第二加工助剂5份，抗老化助剂3份；改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂5～30份，抗氧剂5份；第一加工助剂为聚合型聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、醋酸乙烯基蜡中的一种或多种；第二加工助剂为乙撑双硬脂酰胺、接枝乙撑双硬脂酰胺、含氟聚合物加工助剂中的一种或多种。
[0010]
本发明所述的一种低凝胶炭黑母粒，作为优选方式，聚乙烯树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、茂金属聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或多种。
[0011]
本发明所述的一种低凝胶炭黑母粒，作为优选方式，硅助剂为二甲基硅油、二甲基羟基硅油中的一种或两种。二甲基硅油的黏度为10000cps、二甲基羟基硅油的黏度为20000cps。
[0012]
本发明所述的一种低凝胶炭黑母粒，作为优选方式，抗氧剂为β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(t
m
为49～54℃)。
[0013]
本发明所述的一种低凝胶炭黑母粒，作为优选方式，炭黑包括n660(吸油值85～95ml/100g，比表面积29～39m
2
/g，cabot)、n330(吸油值97～107ml/100g，比表面积70～80m
2
/g，cabot)、hiblack 30b(吸油值105～115ml/100g，比表面积100～110m
2
/g，orion)、printex alpha(吸油值95～105ml/100g，比表面积78～88m
2
/g，orion)、printex zate a(吸油值95～105ml/100g，比表面积70～80m
2
/g，orion)中的一种或多种。
[0014]
本发明所述的一种低凝胶炭黑母粒，作为优选方式，抗老化助剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(t
m
为110～125℃)、β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(t
m
为49～54℃)、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯(t
m
为183～187℃)中的一种或多种。
[0015]
本发明提供的一种低凝胶炭黑母粒的制备方法包括以下步骤：
[0016]
s1、改性聚乙烯造粒：用双螺杆挤出机将改性聚乙烯造粒，得到原料a，其中挤出温度为150～160℃；
[0017]
s2、炭黑预处理：用储料混料灌将所述炭黑与第一加工助剂、偶联剂混合均匀，得到原料b，其中混合温度为60～75℃，混合时间为10min；
[0018]
s3、密炼：将步骤s1得到的原料a、步骤s2得到的原料b、第二加工助剂和抗老化助剂分别通过输送管道输送到密炼室开始混合密炼，得到产品c；
[0019]
s4、低凝胶炭黑母粒制备：将步骤s3得到的产品c压送进双螺杆挤出机挤出造粒，得到低凝胶炭黑母粒。
[0020]
本发明的由于将炭黑预先混合接枝硅烷偶联剂，与内润滑加工助剂混合均匀，增加炭黑表面的润湿程度，并减少炭黑表面的含氧官能团与聚乙烯接触的几率；通过抗氧剂、硅助剂与聚乙烯预混造粒，降低聚乙烯断链自由基与高结构炭黑表面含氧基团的键合几率；通过变压力分段密炼方式，提高分散并且释放内应力，达到降低凝胶的目的；三向减少炭黑表面含氧官能团与聚乙烯断链自由基的结合，制备聚乙烯基材的低凝胶炭黑母粒。其
生产设备通用，工艺操作简单，具有高效、环保特性。
具体实施方式
[0021]
下面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。
[0022]
实施例1
[0023]
一种低凝胶炭黑母粒，由以下重量份的原料组成：改性聚乙烯85份，炭黑100份，第一加工助剂10份，第二加工助剂5份，抗老化助剂3份；
[0024]
改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂5份，抗氧剂5份；
[0025]
聚乙烯树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、茂金属聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或多种；
[0026]
硅助剂为二甲基硅油、二甲基羟基硅油中的一种或两种，其中二甲基硅油的黏度为10000cps、二甲基羟基硅油的黏度为20000cps；
[0027]
抗氧剂为β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(t
m
为49～54℃)；
[0028]
炭黑包括n660(吸油值85～95ml/100g，比表面积29～39m
2
/g，cabot)、n330(吸油值97～107ml/100g，比表面积70～80m
2
/g，cabot)、hiblack 30b(吸油值105～115ml/100g，比表面积100～110m
2
/g，orion)、printex alpha(吸油值95～105ml/100g，比表面积78～88m
2
/g，orion)、printex zate a(吸油值95～105ml/100g，比表面积70～80m
2
/g，orion)中的一种或多种；
[0029]
第一加工助剂为聚合型聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、醋酸乙烯基蜡中的一种或多种；
[0030]
第二加工助剂为乙撑双硬脂酰胺、接枝乙撑双硬脂酰胺、含氟聚合物加工助剂中的一种或多种；
[0031]
抗老化助剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(t
m
为110～125℃)、β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(t
m
为49～54℃)、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯(t
m
为183～187℃)中的一种或多种。
[0032]
实施例2
[0033]
本实施例与实施例1相比具有不同的改性聚乙烯组成，即改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂12份，抗氧剂5份。
[0034]
实施例3
[0035]
本实施例与实施例1相比具有不同的改性聚乙烯组成，即改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂18份，抗氧剂5份。
[0036]
实施例4
[0037]
本实施例与实施例1相比具有不同的改性聚乙烯组成，即改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂24份，抗氧剂5份。
[0038]
实施例5
[0039]
本实施例与实施例1相比具有不同的改性聚乙烯组成，即改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂30份，抗氧剂5份。
[0040]
实施例1～5的制备方法包括以下步骤：
[0041]
s1、改性聚乙烯造粒：用双螺杆挤出机将改性聚乙烯造粒，得到原料a，其中挤出温度为150～160℃；
[0042]
s2、炭黑预处理：用储料混料灌将所述炭黑与第一加工助剂、偶联剂混合均匀，得到原料b，其中混合温度为60～75℃，混合时间为10min；
[0043]
s3、密炼：将步骤s1得到的原料a、步骤s2得到的原料b、第二加工助剂和抗老化助剂分别通过输送管道输送到密炼室开始混合密炼，得到产品c，其中密炼方式为变压力分段密炼：物料混合段压力为0.1mpa、时间0～30s，捏合混合段压力3.2mpa、时间31～130s，释放内应力段压力0.5mpa、时间131～210s，剪切分散段压力2.0mpa、时间211～320s；
[0044]
s4、低凝胶炭黑母粒制备：将步骤s3得到的产品c压送进双螺杆挤出机挤出造粒，得到低凝胶炭黑母粒。
[0045]
对比实施例1
[0046]
本实施例与实施例1相比具有不同的改性聚乙烯组成，即改性聚乙烯由以下重量份数的原料组成：聚乙烯树脂100份，硅助剂0份，抗氧剂5份。
[0047]
对比实施例2
[0048]
本实施例与实施例3相比具有不同密炼工艺，即密炼压力为0.5mpa、时间0～320s。
[0049]
对比实施例3
[0050]
本实施例与实施例3相比具有不同密炼工艺，即密炼压力为2.0mpa、时间0～320s。
[0051]
对比实施例4
[0052]
本实施例与实施例3相比具有不同密炼工艺，即密炼压力为3.2mpa、时间0～320s。
[0053]
将实施例1～5和对比实施例1～4中所得的炭黑母粒的熔融指数，炭黑母粒pe混配料的炭黑母粒微观分散等级、炭黑母粒释性能、混配料拉伸性能分别进行测试，测定结果如下表所示：
[0054][0055]
其中，熔融指数测试条件：190℃，10kg。
[0056]
由上表可以看出，相比较硅助剂含量过高或过低的炭黑母粒，用适量硅助剂改性聚乙烯，有助于提高炭黑母粒的分散和降低凝胶含量；采用初始段加压捏合、中段释放应力、后段中等压力剪切的变压力分段密炼方式有助于提高炭黑母微观分散和降低其凝胶含量。炭黑母粒的微观分散和凝胶含量直接影响混配料的断裂性能。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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