專利名稱：靜電消散性熱塑性聚合物組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有靜電消散性能的熱塑性聚合物組合物含有特定量的碳纖維和炭黑。
背景技術(shù)：
熱塑性聚合物是多用途材料，其可以模塑為各種復(fù)雜的形狀。這種材料的絕大多數(shù)不導(dǎo)電，事實(shí)上是良好的電絕緣體。然而，向這些聚合物中加入充足量的導(dǎo)電填料通常會產(chǎn)生出具有(某種程度)導(dǎo)電性的組合物。在這兩個極端之間，加入中間量的導(dǎo)電填料以提供約104-約1013歐姆/平方的表面電阻率，形成的組合物仍相對絕緣，但易于消散靜電，這使它們對于與電子設(shè)備接觸或靠近的部件具有價值。這樣的組合物還可以用于電磁干擾(EMI)屏蔽。
如美國專利5,820,788及其參考文獻(xiàn)所描述，在這些組合物中將碳纖維用作導(dǎo)電填料。然而，組合物的確切表面電阻率(尤其)依賴于所用的碳纖維的確切性質(zhì)和用量和那些纖維的(平均)長度。在這些組合物的熔體加工過程中，長度難以控制，因此難以制備處于特定表面電阻率范圍內(nèi)的材料。專利5,820,788通過采用降低含碳量，因而降低導(dǎo)電性的碳纖維解決了這一問題，但是其具有的缺點(diǎn)是需要特殊的碳纖維和不同的碳纖維以獲得不同的表面電阻率。因而需要能夠重現(xiàn)地制備靜電消散性聚合物組合物的新方法。
歐洲專利申請1,061,597描述了含有炭黑和碳纖維的熱塑性聚合物組合物?，F(xiàn)已報道的組合物都不含本文要求保護(hù)范圍內(nèi)的這些填料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種組合物，其包含熱塑性聚合物，約5.0-約10體積％的碳纖維和約8-約25體積％的炭黑，其中所述體積百分?jǐn)?shù)基于所述組合物的總體積計(jì)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的組合物含有熱塑性聚合物?？梢酝ㄟ^將熱塑塑料熔融，然后冷卻至熔點(diǎn)和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下而對這些聚合物進(jìn)行再模塑。這些聚合物是未經(jīng)過交聯(lián)的。當(dāng)通過示差掃描量熱法測量時，通常它們具有高于30℃的熔點(diǎn)和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，將熔融吸熱峰取作熔點(diǎn)，將轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度?？梢园凑誂STM方法D3418進(jìn)行這些測量。
可用的熱塑塑料包括聚烯烴，如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯；聚(甲基)丙烯酸酯，如聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚酯，如聚(對苯二甲酸乙二酯)、聚(對苯二甲酸1，4-丁二酯)和聚(對苯二甲酸1，3-丙二酯)；聚酰胺，如尼龍-6和尼龍-6，6；聚醚，如聚(苯醚)；聚碳酸酯；聚(醚-砜)；聚(醚-酰亞胺)；聚硫醚，如聚(對苯硫醚)；液晶聚合物，如芳族聚酯、聚(酯-酰亞胺)和聚(酯-酰胺)；聚(醚-醚-酮)；聚(醚-酮)；含氟聚合物，如聚四氟乙烯、四氟乙烯和全氟(甲基乙烯基醚)的共聚物、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物和乙烯與氟乙烯的共聚物；聚甲醛；聚氯乙烯；ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)及其混合物和共混物。
優(yōu)選熱塑性聚合物(或如果存在一種以上，全部熱塑性聚合物的總量)占組合物的至少40體積％，更優(yōu)選至少60體積％。
所用的碳纖維通常是切短纖維或短纖維的形式，一般為約0.1-約6mm長。所述碳纖維優(yōu)選是含碳量相對較高(＞90重量％)且(對碳纖維而言)電阻相對較低的纖維。可以將所述纖維在適當(dāng)?shù)幕旌掀髦兄苯蛹尤霟崴苄跃酆衔镏?參見下面)，或者可以以母料的形式加入。本發(fā)明的組合物含有約5.0-約10.0體積％的碳纖維，優(yōu)選約6.0-約9.0體積％。本文中所有的體積百分?jǐn)?shù)均基于組合物的總體積計(jì)，其為組合物所有成分的體積，包括非碳纖維、炭黑和熱塑塑料而存在的那些。
所用的炭黑可以是用于混入熱塑塑料的任何炭黑。可以將所述炭黑在適當(dāng)?shù)幕旌掀髦兄苯蛹尤霟崴苄跃酆衔镏?參見下面)，或者可以以母料的形式加入。本發(fā)明的組合物含有約8-約25體積％的炭黑，優(yōu)選約10-約21體積％。
熱塑性聚合物的優(yōu)選種類是液晶聚合物(LCP)?！耙壕Ь酆衔铩敝傅氖窃诓捎肨OT試驗(yàn)或其任何合理變型測試時呈現(xiàn)各向異性的聚合物，如美國專利4,118,372所描述，在此將其引入作為參考。有用的LCP包括聚酯、聚(醚-酰胺)和聚(酯-酰亞胺)。聚合物的一種優(yōu)選形式是全芳族的，即聚合物主鏈中的全部基團(tuán)都是芳族的(除了連接基團(tuán)，如酯基)，但是可以存在非芳族側(cè)基。適宜的熱塑性LCP例如描述于美國專利3,991,013，3,991,014，4,011,199，4,048,148，4,075,262，4,083,829，4,118,372，4,122,070，4,130,545，4,153,779，4,159,365，4,161,470，4,169,933，4,184,996，4,189,549，4,219,461，4,232,143，4,232,144，4,245,082，4,256,624，4,269,965，4,272,625，4,370,466，4,383,105，4,447,592，4,522,974，4,617,369，4,664,972，4,684,712，4,727,129，4,727,131，4,728,714，4,749,769，4,762,907，4,778,927，4,816,555，4,849,499，4,851,496，4,851,497，4,857,626，4,864,013，4,868,278，4,882,410，4,923,947，4,999,416，5,015,721，5,015,722，5,025,082，5,086,158，5,102,935，5,110,896，和5,143,956，和歐洲專利申請356,226。所述組合物可以以通常用于該組合物的量含有一般加入熱塑塑料中的其它成分，如填料、增強(qiáng)劑、增塑劑、阻燃劑、抗氧化劑、抗臭氧劑、潤滑劑、成核劑。
可以通過一般用于制備含有熱塑性聚合物的組合物的方法將組合物的成分混合。例如，所述成分可以進(jìn)料到單或雙螺桿擠出機(jī)中，其中將熱塑性聚合物熔融并與其它成分混合，當(dāng)然包括碳纖維和炭黑。在離開擠出機(jī)時，可以將聚合物模塑為線材并切割成粒料以供未來使用，或者可以直接模塑為成型部件，如通過進(jìn)料入注塑機(jī)。優(yōu)選混合過程中將碳纖維長度(如果尚未是相對較短)磨成某一平均長度，這樣進(jìn)一步的加工(例如在成型中)通常不會造成纖維長度的進(jìn)一步縮短。由于組合物的導(dǎo)電性部分地依賴于碳纖維的平均纖維長度，優(yōu)選組合物的表面電阻率在進(jìn)一步的加工中是基本不變的。然而，不希望將碳纖維縮短至使它們僅充當(dāng)類似碳粉或炭黑作用的地步。對加工強(qiáng)度(例如螺桿構(gòu)型、螺桿速度等)的簡單試驗(yàn)可以確定如何進(jìn)行加工。
當(dāng)通過ASTM法D257測量時，優(yōu)選所述組合物具有約104-約1013歐姆/平方的表面電阻率，更優(yōu)選約109-約1012歐姆/平方。獲得所需表面電阻率的一種方法是將碳纖維加入聚合物，然后加入足夠的炭黑，其量易于通過試驗(yàn)確定，以將表面電阻率降低至希望的值。通過采用該二元填料體系，可以在寬范圍內(nèi)將表面電阻率調(diào)節(jié)至任意值。令人吃驚的是，當(dāng)制備本文描述的組合物時，在重復(fù)的生產(chǎn)過程中，相當(dāng)容易并可重現(xiàn)地獲得了所需的表面電阻率，而這對采用單一的導(dǎo)電填料是難以獲得的。成型條件也會影響所制得的部件的表面電阻率，但是易于確定獲得所需電阻率的成型條件。對各向異性的液晶聚合物而言，優(yōu)選在縱向和橫向的表面電阻率都在上述范圍以內(nèi)。
本發(fā)明的組合物可以用于需要靜電消散和/或EMI屏蔽效果的部件。這樣的用途包括電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)、汽車零部件、復(fù)印機(jī)和打印機(jī)的箱體。
實(shí)施例1-5和對比例A所用LCP與美國專利5,110,896中的LCP-4相同，將該專利引入本文作為參考。所用的碳纖維(CF)是Panex33CF碳纖維(購自Zoltek Corp.)，所用的玻璃纖維(GF)是Owens Corning grade 408Owen s Corning Fiberglass，Toledo，OH，USA，炭黑濃縮體(CBC)是美國專利5,110,896中LCP-9的20重量％炭黑母料，從ClarientCorporation，Charlotte，NC，U.S.A.獲得。每個實(shí)施例中每種成分的重量示于表1中。
采用Werner and Pfliederer 40mm bilobal雙螺桿擠出機(jī)成型所述組合物。在后部進(jìn)料LCP、CF和炭黑濃縮體，玻璃纖維在側(cè)面進(jìn)料。該擠出機(jī)具有一個不加熱的進(jìn)料機(jī)筒(定為#1)和九個加熱的進(jìn)料筒。該擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)由輸送元件組成，捏合元件加裝在#3筒內(nèi)，以熔融聚合物并混合各種成分，接著是#4筒內(nèi)的真空排氣段。#5筒內(nèi)有側(cè)進(jìn)料器，之后是第二套捏合元件。在#8筒內(nèi)有第二真空排氣段。最后的筒裝有線材模頭，在水浴中快速冷卻熔融的線材并進(jìn)料到線材切割機(jī)中制備直徑約0.32cm、長度約0.32cm的粒料。擠出機(jī)機(jī)筒加熱設(shè)定值為345℃，模頭加熱器設(shè)定為350℃。
在熱空氣烘箱中于125℃將所述粒料干燥過夜，然后成型為0.32cm厚的棒材。注塑機(jī)是6oz.HPM機(jī)，模具溫度設(shè)定為65℃或110℃。
采用ASTM方法D-257在室溫下測定表面電阻率并報告在表1中(CB是炭黑)。在成型棒材的縱向(流動方向)和橫向(垂直于流動的方向)進(jìn)行測量。
表1

a包括炭黑濃縮體中的LCP。
權(quán)利要求
1.一種組合物，包含熱塑性聚合物，約5.0-約10體積％的碳纖維和約8-約25體積％的炭黑，其中所述體積百分?jǐn)?shù)基于所述組合物的總體積。
2.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述碳纖維占所述組合物的約6.0-約9.0體積％。
3.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述碳纖維為約0.1mm-約6.0mm長。
4.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述炭黑占所述組合物的約10-約21體積％。
5.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述熱塑性聚合物占所述組合物的至少約40體積％。
6.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述碳纖維占所述組合物的約6.0-約9.0體積％，所述碳纖維為約0.1mm-約6.0mm長，所述炭黑占所述組合物的約10-約21體積％，且所述熱塑性聚合物占所述組合物的至少約40體積％。
7.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述熱塑性聚合物選自聚烯烴，聚(甲基)丙烯酸酯，聚酯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚(醚-砜)，聚(醚-酰亞胺)，聚硫醚，液晶聚合物，聚(醚-醚-酮)，聚(醚-酮)，含氟聚合物，聚甲醛，聚氯乙烯和ABS，及其混合物和共混物。
8.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述熱塑性聚合物是液晶聚合物。
9.權(quán)利要求1中的組合物，其具有約104-約1013歐姆/平方的表面電阻率。
10.權(quán)利要求1中的組合物，其具有約109-約1012歐姆/平方的表面電阻率。
全文摘要
通過向熱塑性聚合物中混入特定量的碳纖維和炭黑，可以容易并重現(xiàn)地制備含有熱塑性聚合物并具有約10
文檔編號H01B1/00GK1669094SQ03817125
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月25日
發(fā)明者M·G·瓦戈納, W·J·哈辛克 申請人:納幕爾杜邦公司