[发明专利]含有导电碳的聚酰胺组合物

说明书

发明领域

本发明涉及一种聚酰胺组合物，其含有作为导电碳基体的碳纳米管(CNT)和/或石墨烯和另外含有双官能或低聚官能的偶合剂。

背景技术

塑料通常来说除了几种非常特殊的例外情况之外都是电绝缘体，在由其制备的薄膜或模制件的制备、加工和使用过程中在其上面会积累高的表面电荷。

这些静电荷导致不需要的效应和严重的有害情形，这些不需要的效应和有害的情形源自它们对粉尘的吸引、有卫生问题的污染物的粘着、电子组件因火花击穿而破坏、生理上不舒适的电击、可燃液体在对其搅拌、倾倒或运送的容器中或管中燃烧直至粉尘爆炸，例如在装填有粉尘或细粉末的大容器转移装填（Umfuellen）的过程中，或者在岩石开采或煤开采中。

因此自从使用这些塑料，就需要阻止静电荷或将这些静电荷减小到它们不再有害的程度。

典型的热塑性塑料具有10¹⁶-10¹⁴欧姆范围的比表面电阻并因此可以积聚高达15 000伏的电压。有效的抗静电剂可以将塑料的比表面电阻降低到10¹⁰ - 10⁹ 欧姆。然而，当塑料要在大型器具的电子组件中使用时，例如，在变压器或变电站制造领域或在汽车和飞机制造中的许多应用中，电荷的除去程度必须达到相当高的程度。这里，需要使用导电模塑物料，该物料必须具有小于10⁹ 欧姆的比表面电阻。另一关键的方面是在该类塑料的应用中，通过厚度高达数毫米的塑料部件，不仅表面电阻而且体积电阻都必须在同样的范围，并且在通过注塑制备的部件的情况下，常常发生通常难以阻止的各向异性效应。

在实践中，含有炭黑和特别是导电炭黑的塑料组合物通常用于制造导电塑料部件。导电炭黑是能够通过相互接触在聚合物中传导电荷和也保证低的体积电阻的分形结构。为此通常需要15-25%重量的高填充程度，这些不仅对于聚合物的工艺性能，尤其是机械性能如缺口冲击韧性或拉伸强度有不利影响，而且导致组件在可见区域不足的表面质量，如工业上所抱怨的那样。

导电炭黑是特殊的工业炭黑，其特别通过炉黑法或通过乙炔黑法通过高温裂解制备。这些导电炭黑的DBP (邻苯二甲酸二丁基酯)值大于110 ml/100 g具有极高比表面积的碳黑。典型的商品例如Ketjenblack EC或Printex XE2或Printex L6。

作为对比，碳纳米管(CNT)和尤其是石墨烯尽管以显著较低的浓度使用，但是它们的分散是对工艺有高度依赖性的。例如，其中CNT在进料端引入挤出螺杆的途径和挤出工艺中选择的螺杆构造是后面效果的关键。这些仅是阻碍简单利用的一些有关工艺参数。另外，CNT的成本远在导电碳黑的价格之上，并且石墨烯显然更昂贵，从而立刻变得清楚的是需要进一步优化以便降低CNT或石墨烯浓度。此外，在某些塑料中，由于某些热塑性塑料的熔体粘度和极性的阻碍作用，分散这些产物特别困难。

碳纳米管是除了石墨、钻石、无定形碳和富勒烯之外元素碳的另一种变体。这里碳原子呈六边形排列。该结构相当于卷起的单原子或多原子石墨层，从而形成典型地具有几纳米的直径和最大几毫米的长度的中空圆柱。原则上区分为多层和单层碳纳米管，文献中通常缩写为MWNT和SWNT。由于范德华力，碳纳米管具有强的聚集形成束的趋势，这是为什么在挤出工艺中通过高剪切力去缠结和分散而没有严重缩短是必要的。典型的商品可以由各个生产商得到，这里可以提到的少数代表是如下公司：Bayer、Nanocyl和Arkema的分级Baytubes^® C150P、Baytubes^® C150HP、Baytubes^® C70P、Nanocyl^TM NC7000和Electrovac Graphistrength C100。另外的制造商提供母料形式的CNT，例如Hyperion和C-聚合物。

含有CNT的聚酰胺组合物例如由US 4 663 230、US 5 098 771、US 5 578 543、US 5 591 382、US 5 611 964、US 5 643 502、US 5 651 922、US 6 235 674和US 6 608 133可知。

然而，在聚合物与导电填料混配时常常出现不完全分散的填料的聚集体，这些限制了组合物的产物质量。例如， 该类聚集体会导致使用中不可忍受的表面缺陷。另外，在给定的导电填料浓度时可达到的最大电导率远远达不到。