石墨烯/PVC材料抗靜電性能的研究

汪海位,尹建平,韓忠良

(新疆天業(yè)天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000)

PVC材料具有較高的力學(xué)性能、良好的耐化學(xué)腐蝕性和阻燃性能等特性，且價格低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。但PVC材料表面電阻高(1014～1017Ω)，導(dǎo)電能力差，表面極易因摩擦而積聚靜電荷，當靜電荷積聚到一定程度時便發(fā)生火花放電，進而導(dǎo)致可燃氣體的燃燒、爆炸等危險。如果通過改性使PVC材料具有抗靜電性能，那么在煤礦、石油、化工、紡織、危險品倉庫、電子及無線通信、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域就可用PVC材料來生產(chǎn)板材、管材、傳送帶、設(shè)備罩等制品，進一步拓寬PVC材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

為了改善PVC材料的抗靜電性能，科研工作者開展了大量的研究，如通過添加導(dǎo)電炭黑等填料來改進PVC材料的抗靜電性能，但這會使PVC材料的力學(xué)性能下降。隨著“超級材料”石墨烯的出現(xiàn)，其具有的獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能引起了人們的關(guān)注[1]。為了改進PVC材料的抗靜電性能，筆者采用共混改性和涂層改性的方法制備了石墨烯/PVC材料，對其抗靜電性能進行了考察。

1 共混改性

1.1 試驗原料

PVC樹脂，TY-1000，新疆天業(yè)天偉化工有限公司；片狀復(fù)合穩(wěn)定劑，江蘇聯(lián)盟化學(xué)有限公司；CPE，濰坊亞星化學(xué)股份有限公司；ACR，山東日科化學(xué)股份有限公司；CaCO3、炭黑，市售。

石墨烯為自制，制備方法為：以天然石墨粉為原料，以改進的Hummers法制備氧化石墨，并采用維生素C還原得到還原氧化石墨烯[2]。

1.2 主要試驗設(shè)備

雙輥煉塑機，SJK-160，武漢怡揚塑料機械有限公司；平板硫化機，XLB-D450，南通新科橡塑機械有限公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 原料的混合、混煉

按配方將PVC、CPE、ACR、CaCO3、復(fù)合穩(wěn)定劑、炭黑混合均勻，再加入石墨烯粉體混合均勻，在雙輥煉塑機中將物料壓成薄片，溫度設(shè)定為160 ℃，混煉6 min，將冷卻好的薄片剪碎備用。

表1 試驗配方Table 1 Test formulation

1.3.2 壓制成型

將混煉好的物料放入已預(yù)熱到170 ℃的平板硫化機的模具中，于15 MPa保壓熱壓5 min，再冷壓3 min，取出成型樣品備用。

1.4 性能測試

將壓制成型的樣品制成100 mm×100 mm的樣片，采用表面電阻測定儀測定其表面電阻。

1.5 試驗結(jié)果

石墨烯用量對試樣表面電阻的影響見表2。為了提高試樣的抗靜電性能，添加了3份炭黑與石墨烯配合使用。

表2 石墨烯用量對PVC材料表面電阻的影響Table 2 Effect of addition amount of graphene on surface resistance of PVC material

當石墨烯用量大于1.0份時，隨著石墨烯用量的增加，PVC材料的表面電阻明顯下降；但用量達到4.0份時，仍具有較高的電阻(抗靜電材料的表面電阻<106Ω)，難以達到抗靜電的效果。這可能是由于動態(tài)機械剪切會破壞石墨烯的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低其抗靜電作用[3]。

2 涂層改性

利用石墨烯將PVC糊樹脂溶膠制成具備抗靜電性能的材料，采用浸漬、涂刮、噴涂、搪膠等加工方法在PVC制品的表面形成涂層，就可以防止PVC材料表面因靜電積聚而形成電火花，避免發(fā)生燃燒、爆炸等危險。PVC抗靜電涂層的優(yōu)點有：在加工溫度下，能夠完全與PVC基材黏合形成整體，不會脫落；施工簡單靈活，可在PVC基材加工的同時完成PVC抗靜電涂層的施工，也可在PVC基材加工完成后，二次進行涂層施工；抗靜電涂層的厚度較小，即使導(dǎo)電填料的用量較大，對經(jīng)濟成本的影響也十分有限；PVC抗靜電涂層對PVC制品的力學(xué)性能影響很小[3]。

2.1 試驗原料

PVC糊樹脂，TPH-31，新疆天業(yè)天偉化工有限公司；石墨烯，自制；液體鈣鋅穩(wěn)定劑、炭黑，市售；DOP，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；環(huán)己烷，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

2.2 試樣制備

2.2.1 配制石墨烯溶液

稱取100份環(huán)己烷于燒杯中，將10份石墨烯粉末加入環(huán)己烷中，超聲波攪拌15 min，得到的懸濁液備用。

2.2.2 制備炭黑漿

稱取一定量的炭黑在研缽中充分研磨，與DOP按照1∶1的質(zhì)量比加入燒杯中，利用高速分散機于1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下分散30 min，得到的炭黑漿備用。

2.2.3 制備石墨烯-PVC溶膠

在干凈的500 mL燒杯中依次加入60份DOP、3份液體鈣鋅穩(wěn)定劑和6份炭黑漿；緩慢加入100份PVC糊樹脂，利用高速分散機在600 r/min的轉(zhuǎn)速下混合30 min；再加入石墨烯懸濁液，仍以600 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min，抽真空脫除泡沫，在25 ℃恒溫條件下儲存?zhèn)溆谩?/p>

2.2.4 制備PVC基材

按照表3配方制備PVC基材，方法同1.3。

表3 PVC基材配方Table 3 Formulation of PVC base material

2.3 涂布涂層

將PVC基材放入180 ℃烘箱中烘烤2 min后迅速取出放置在離型紙上，四周用相同厚度的玻璃板固定，在試樣的上方倒入經(jīng)過預(yù)先攪拌的石墨烯-PVC溶膠，用0.5 mm的涂刮棒在試樣上均勻涂刮，取出試樣在烘箱中繼續(xù)烘烤3 min后取出，然后迅速放置于2張表面為鏡面光的不銹鋼板間，用10 kg砝碼于常溫下壓平定型30 min。

2.4 試驗結(jié)果

石墨烯用量對PVC材料表面電阻的影響見表4。由表4可知：當石墨烯用量達到2.0份時，PVC材料已達到了抗靜電材料的要求(表面電阻<106Ω)。這可能是2方面原因造成的：石墨烯分散在非極性溶劑環(huán)己烷中，最大限度地保留了石墨烯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特性；同時，炭黑粒子穿插其中，在PVC溶膠中能夠自由分散而不發(fā)生聚集，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

表4 石墨烯用量對PVC材料表面電阻的影響Table 4 Effect of addition amount of graphene on surface resistance of PVC material

3 結(jié)語

采用共混改性的方法添加石墨烯、炭黑來制備PVC抗靜電材料，石墨烯的用量較大，在成本上不經(jīng)濟，還會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。而采用涂層改性的方法將石墨烯-PVC溶膠涂布在PVC材料表面，不僅大幅提高了材料的抗靜電性能，而且石墨烯的用量很少，同時保留了PVC材料原有的力學(xué)性能。

石墨烯作為新材料領(lǐng)域的一顆新星，將越來越受到各個領(lǐng)域的關(guān)注。要將石墨烯/PVC抗靜電材料推廣到工業(yè)化應(yīng)用，還需要進行更深入、完善的研究。