含沥青基碳纤维导电塑料的制备 【技术领域】
本发明涉及一种含沥青基碳纤维导电塑料的制备，其属于导电塑料的制备方法领域。
背景技术
现有的导电塑料复合材料多采用各种高导电碳黑、金属粉末或聚丙烯腈基碳纤维(长纤维)与塑料共混制备。所制备材料存在填充量大、加工困难、造价高、制备工艺复杂、有时用工艺性差、材料综合性能较低等缺点。
沥青基碳纤维是我国90年代引进的碳纤维新材料，是一种高性能短纤维增强材料，具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维相比，具有更优良的导电性，其单丝导电能力可与金属相当，尤其是它的价格优势，沥青基碳纤维的价格大约是聚丙烯腈基碳纤维的1/10。所以，人们开始研究采用价格低廉的沥青基碳纤维替代聚丙烯腈基碳纤维制造导电塑料。
相关文献与实际应用证明，将沥青基碳纤维填充到塑料基体中的关键是二者的相容性差，必须进行表面处理由惰性变为活性，从而改变沥青基碳纤维与塑料基体的相容性。传统方法是采用硝酸、高锰酸钾等强氧化剂，将沥青基碳纤维的表面部分氧化，形成羟基、羧基等，具有一定的活性。该方法不能完全解决沥青基碳纤维的表面活性问题，不能很好地与非极性塑料相容。这样极大地限制了沥青基碳纤维在塑料复合材料中的应用。
【发明内容】
本发明的目的是利用沥青基碳纤维的优异特性，解决现有防静电、电磁屏蔽塑料的导电填料填充量大，填料与塑料基体的相容性差，造价高等缺点，提供一种综合性能优良、防静电、抗电磁干扰、造价低廉，加工方便的导电塑料。
本发明的技术方案如下：一种含沥青基碳纤维导电塑料由塑料基体、活性沥青基碳纤维、增容剂和抗氧剂组成，各组分的质量百分比为：60～80％∶10～30％∶0～10％∶0.1～0.2％。
所述的含沥青基碳纤维导电塑料的制备包括以下步骤：
①将沥青基碳纤维在浓度为20％～60％的强氧化剂中，于70～110℃、氧化处理1～6小时；
②将氧化后的沥青基碳纤维用1％～3％的偶联剂，在30～100℃进行偶联处理；
③将经过氧化-偶联处理的沥青基碳纤维，在50～90℃下，超声波处理30～120分钟，制得活性沥青基碳纤维；
④将活性沥青基碳纤维与塑料基体、增容剂、抗氧剂混合均匀，在既能提供共混又能同时将塑料基体加热到熔点以上的设备中熔融混炼，得到导电塑料。
所述塑料基体是低密度聚乙烯或线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)，或是其中二者的混合物。
所述沥青基碳纤维选用的型号为：P-100、P-800、、P-1600、P-3200、C-10、C-12。
对所述沥青基碳纤维进行氧化选用的强氧化剂包括硝酸和高锰酸钾。
对所述沥青基碳纤维表面改性使用的偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂。
所述增容剂选用马来酸酐接枝聚乙烯或甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯。
上述技术方案的指导思想是：通常塑料等高分子化材料电阻率为1012-17Ωcm是作为绝缘材料使用的，而多数情况把电阻率为103Ωcm左右的塑料作为导电塑料，也称为导电高分子材料。导电高分子材料的特性主要是：具有良好的导电性并保持原来高分子材料的特点，而且具有抗静电、抗干扰、屏蔽作用。碳纤维作为导电材料的填料显示了其优越的性能。它是一种新型的高强度、高模量材料，具有好的导电性能。当碳纤维含量在20～30％时，该复合材料的体积电阻率为101-4Ωcm，具有屏蔽效果。调节碳纤维规格用量，可以满足不同的要求。另外，碳纤维表面镀电镀金属获得成功，它的导电性可以提高50～100倍。但是由于碳纤维的价格昂贵，推广比较困难。沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维相比，首先是价格优势，前者仅为后者的1/10，其次是短纤维特别适合加工复杂形状制品。所以，近年人们重视沥青基碳纤维的开发利用。
本发明利用沥青基碳纤维的优异特性，利用专业技术解决了沥青基碳纤维表面活性及其与塑料基体相容性问题克服现有导电塑料、防静电、电磁屏蔽塑料的导电填料填充量大，填料与塑料基体的相容性差，造价高等缺点，制备出一种综合性能优良、具有优良的导电性、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变等性能的导电塑料，可以作为隐身材料、电磁阻尼材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料，有望应用在武器、航天、潜艇、机电等多种高科技领域中。航天工业中已利用了碳纤维的导电性。碳纤维复合导电塑料将会在电子、电气、航天、航空等领域占有一定的席位。
本发明的有益效果是：沥青基碳纤维经氧化偶联活化处理后，能够提高其与塑料基体的相容性，表现为断裂强度增大；活性沥青基碳纤维填充塑料制备导电塑料可以降低填充量，该导电塑料中沥青基碳纤维的填充量为10％～30％。
【具体实施方式】
实施例一：
将200公斤的C-12沥青基碳纤维使用浓度为40％的硝酸中，在110℃，氧化处理2小时。再用4公斤钛酸酯偶联剂，在80℃下处理20分钟。取出后，在80℃下，超声波处理60分钟，制得活性碳纤维。将活性碳纤维与755公斤聚丙烯、45公斤甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯增容剂、1.1公斤抗氧剂等全部物料，混合均匀备用。将已混合均匀的备用料，逐步加入双螺杆挤出机中，进行挤出造粒，从而制得含沥青基碳纤维的导电塑料。所制备地导电塑料的体积电阻率为102～103欧姆·厘米，断裂强度提高32％。
实施例二：
将300公斤的P-800沥青基碳纤维使用浓度为60％的硝酸中，80℃，氧化处理4小时。再用4.8公斤硅烷偶联剂，在90℃下处理30分钟。取出后，在70℃下，超声波处理90分钟，制得活性碳纤维。将活性碳纤维与210公斤线性低密度聚乙烯、420公斤低密度聚乙烯、70公斤马来酸酐接枝聚乙烯增容剂、1.3公斤抗氧剂等全部物料，混合均匀备用。将已混合好的备用料逐步加入到双螺杆挤出机中，挤出造粒，从而制得含沥青基碳纤维的导电塑料。
所制备的导电塑料的体积电阻率为102～103欧姆·厘米，断裂强度增大提高22％。
实施例三：
将120公斤的P-3200沥青基碳纤维使用浓度为5％的高锰酸钾中，85℃，氧化处理1小时。再用1.5公斤钛酸酯偶联剂，在60℃下处理15分钟。取出后，在90℃下，超声波处理30分钟，制得活性碳纤维。将制得的活性碳纤维与800公斤ABS、80公斤甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯增容剂、2公斤抗氧剂等全部物料混合均匀备用。将已混合好的备用基料逐步加入到双螺杆挤出机中，挤出造粒，从而制得含沥青基碳纤维的导电塑料。所制备的导电塑料的体积电阻率为102～104欧姆·厘米，断裂强度提高19％。