功能性纳米塑料母粒浅析

母粒的理想结构

     

一般母粒的理想结构应由四部分组成，最里层为填料核，主要起提高刚性、降低成本等作用；第二层为偶联层，由偶联剂或交联剂组成，目的是提高填料与树脂的结合力；第三层为分散层，由一些低聚物及分散剂组成，目的是混合均匀，避免填料聚集，提高造粒过程中流动性；第四层，即最外层是增混层，由具有一定双键的共聚物或兼容剂组成，目的是与要填充的树脂能更好地结合。

 

有时母粒结构并没有这样复杂，只有简单的二层或三层结构，但是改性效果较差。

     

(１)填料核的选择：碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅灰石、粉煤灰、玻璃微珠等等都可以作为填料核。一般要求粒度细些好，最好是1250目以上，添加量为50%~80%。

 

     

(２)偶联层的选择：一般采用钛酸酯、硅烷、磷酸酯、硼酸酯、铝酸酯等偶联剂进行包覆处理，一般用量为填料量的0.5%~3%，有时为了起协同作用，适当加些交联剂如双马来亚胺，以提高协同作用，另为处理均匀，常再加些稀释剂，如乙醇、甲苯等，使偶联剂包覆的效果更好。

 

(３)分散层的选择：一般选硬脂酸、硬脂酸盐、低分子量聚乙烯、低分子量聚苯乙烯及其它低分子量聚合物，其用量一般在5%以内。

     

(４)增混层的选择：一般多用无规聚丙烯（APP），其软化点低，包覆填料效果好，也有用其它树脂如LDPE、HDPE、LLDPE、PS、CPE、EVA等，有时可选用上述树脂的共混物作载体树脂，如LDPE和LLDPE共混，协同效果好。若母粒用于PVC树脂，则可选择AMS树脂作为母粒载体，填充效果较好。除此之外，还可用无水马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯等处理填料，效果也很好。增混层用量为15%~30%。

 

炭黑的性能与应用

     

  炭黑是一种以碳元素为主体的极细的无定形碳粉末，可由石油、天然气、油脂等含碳较多的有机化合物经不完全燃烧或热分解来制取。炭黑因生产方法的不同，分为炉法炭黑、槽法炭黑、热裂法炭黑和乙炔炭黑。在PVC等塑料制品中添加乙炔炭黑或导电炉黑，可降低制品的表面电阻，起抗静电作用。炭黑也是塑料的黑色色剂。

 

作为导电填料的炭黑，其导电性与其比表面积、结构性、表面化学性有关。而这些基本物性和填充量对复合材料的导电性也起决定性作用。

     

比表面积是炭黑颗粒外表面和内表面（孔隙）面积之和。比表面积越大，炭黑粒子尺寸越小，单位体积内的颗粒数越多，越容易彼此接触形成导电网络通路，导电性越好。在相同填充量下，随炭黑粒径的增大，电阻率也增大。在导电塑料制品中，炭黑粒子过小，因塑料塑化后剪切力小，故分散性差，导致制品的电性能和力学性能均下降，所以必须把炭黑粒径控制在一定范围内，才能获得具有实用价值的制品。炭黑粒径分布对复合材料电性能也有一定的影响。粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能赋予材料电性能。宽分布炭黑在相同重量下有大量粒子，尽管由于较高的松密度，凝聚体在尺寸上稍有减小，但数量更多，大量凝聚体降低了平均间隙宽度，增加了导电性。聚集体大，分布宽的炭黑品种，可以赋予炭黑填充导电塑料更优良的导电性能。

      加入碳黑除能改善制品的导电性能外，由于碳黑还具有光屏蔽作用，所以可提高制品的耐光老化性能。

以下是一个以粒径为20nm左右的炭黑开发的黑母粒料配方：

  20nm左右的炭黑50

     

  LDPE46

     

  偶联剂1

     

  分散剂1

     

  抗氧剂1

     

  加工改性剂1

生产工艺原理为：

  原料称重→配比→混合→挤出→冷却→切粒→检验→包装计量→入库

      母粒的质量评定

      塑料母粒的质量评定标准，一般是和标准样进行对照，如色母粒。有时是从下述一些方面进行比较。

      外观颜色：外观尺寸大小，为圆柱粒子或方形粒子，白度大小，颜色中有否杂质。

      水份及其挥发份：应小于某一数值，如规定为0.2%~0.3%。

      密度：如1.7~1.9g/cm3。

      熔体流动速率：应大于某一数值，如定为0.5g/10min。

      具体专业指针：如阻燃母粒应注明燃烧性达何级，如UL-94V-0级、含卤素量等。

      添加量：如添加10%~15%、30%~40%等。

      其中重要的是成型加工指针，即熔体流动速率及专业指针。

      也有人采用转矩式流变仪，测定过滤器的压力值DF来评价母粒质量。

      母粒技术指针一般为：密度1.7g/cm3、水分0.2%、熔体流动速率0.5~10g/10min、粒度大小3×3×4mm。

几种纳米功能母粒浅析

     

  通过在导电母粒中引入纳米级炭黑，对母粒料性能的提高带来显著的影响。以下结合几种以粒径为20nm左右的炭黑开发的导电母粒分析纳米功能母粒加工技术与性能特点。

      黑色导电母粒

     

  黑色导电母粒主要由PE或专用高分子材料为载体，高效导电炭黑及导电协效剂等组成。在PE或高分子材料中加入一定量的黑色导电母粒可使高分子表面电阻值降到104-109，并与PE、PP、PS、PC、ABS、PA等兼容性良好，所得制品的抗静电性不随环境湿度的变化而变化，不迁移，不析出，是理想的高分子材料抗静电剂。

 

      电阻率的下降并不与炭黑的添加量成直线关系，当达到一定的添加量后，即使再增加炭黑，其导电性改变也不显著。

     

  部份通用黑色功能母粒牌号及应用导电率的高低还与炭黑种类，粒子大小及其分布、聚集体形状或结构、孔隙度有关。增大炭黑的比表面积及孔隙度，同时减少炭黑中的灰分含量，可提高导电率，减少添加的炭黑分数。

 

     

  炭黑的粒径越小，越有利于形成链式导电结构。一般薄通次数少些，适当加些加工助剂、增塑剂有助于降低电阻率。混炼温度适当高些，乙炔炭黑与其它炭黑并用，效果会更好些。石墨的结构与炭黑类似，也是一种导电填料。

 

      通用黑色功能母粒

     

  通用黑色功能母粒主要由载体，一定粒径的炭黑、抗氧剂、炭黑分散剂、加工助剂等成份组成。它与大多数高分子材料兼容性好，广泛应用于PE、PP、PS、ABS、PA，PC等吹塑、挤出、注射等加工。特点是：高含量、分散性好、黑度高、色力强。

 

      黑色导电膜专用料

     

  黑色导电膜专用料主要由LDPE、导电炭黑、加工助剂等成份组成。该材料制成的导电膜材料防静电性稳定，导电性能良好，机械强度高，印刷性好，可用于静电敏感产品的包装。广泛应用于电子工业、航天航空、兵器工业及纺织工业等领域，诸如电子元（器）件、电器产品、光电产品、光电一体化产品以及弹药等危险产品的包装。

 

     

  研究表明，功能母粒采用粒径为20nm左右的炭黑，具有屏蔽紫外线的作用。和受阻铵热氧老化剂并用，组成防老化体系，使制品具有长效抗光、热老化性。黑色功能母粒具有高浓度、高黑度、高分散性，加入2%~5%左右使制品表面具有尺寸稳定和细腻的特点。