一种安全帽用高强度抗静电复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种安全帽用抗静电材料及其制备方法，属于高分子复合材料领域。本发明将碳基改性聚酰胺短纤维与ABS熔融共混，通过改善二者间相容性、构建导电通路获得一种高强度抗静电复合材料。碳基改性聚酰胺短纤维具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，可以提高ABS树脂的韧性和耐磨性；同时引入双‑25硫化剂和马来酸酐可以实现反应性增容，即碳基改性聚酰胺短纤维与ABS树脂基体之间原位构建化学键合作用，显著改善碳基改性聚酰胺短纤维与ABS树脂的相容性，提高材料力学性能，满足安全帽的特殊使用要求。本复合材料及制备方法可用于安全帽的制备以及安全防护制品的制备及应用。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子复合材料领域，具体是涉及一种安全帽用抗静电材料及其制备方法。

背景技术

安全帽作为一种个人头部防护用品，能有效防止和减轻工人在生产作业中遭受坠落物体和自坠落时对头部的伤害，广泛适用于建筑、冶金、矿业、化工、电力、交通等领域。ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂)是一种强度高、韧性好、耐化学性好、电绝缘性佳，易于加工成型的热塑性高分子材料，已经成为安全帽帽壳的主流材料之一。但ABS树脂本身的表面电阻率高达4×10

现有抗静电安全帽采用外喷涂层或添加短效静电剂工艺，以达到抗静电效果。但是外喷涂层式安全帽的抗静电性能易耗散、易磨损，只能实现短期效果。添加抗静电剂的安全帽由于抗静电剂与基体的相容性差，会部分牺牲产品的机械强度，而且也无法避免迁移问题，难以实现长期有效的抗静电性能。中国专利文献CN102020285A公开了通过添加永久抗静电剂制备ABS树脂复合材料，虽然选用马来酸酐接枝ABS树脂相容剂在一定程度上可以改善ABS树脂基体与聚醚酯、聚醚酰胺类抗静电剂的相容性，但是仍无法避免牺牲力学强度，而且仍旧存在抗静电剂析出问题。

因此，安全帽用抗静电ABS树脂材料的开发应该集中于解决在实现永久有效的抗静电条件下仍能保持安全帽具有良好的冲击吸收性能、耐穿刺性能和侧向刚性，为人身安全提供有力保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全帽用高强度抗静电复合材料及其制备方法，实现永久有效的抗静电条件下仍能保持安全帽具有良好的冲击吸收性能、耐穿刺性能和侧向刚性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种安全帽用高强度抗静电复合材料：

按照重量份数配比，所用原料包括：ABS树脂60-75份，马来酸酐1-3份，双-25硫化剂0.1-2份，碳基改性聚酰胺短纤维10-15份。

作为本发明进一步的方案：所述碳基改性聚酰胺纤维的组分按照重量份配比，包括聚酰胺8-10份，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)0.1-0.5份，碳纳米管(CNT)0.1-2份。

作为本发明进一步的方案：所述聚酰胺包括PA6，PA66，PA610和PA1010中的至少一种。

一种安全帽用高强度抗静电复合材料制备方法：

首先制备碳基改性聚酰胺短纤维，碳基改性聚酰胺短纤维的制备方法，用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)对碳纳米管(CNT)进行接枝改性得到改性碳纳米管(FCNT)，然后将改性碳纳米管(FCNT)与聚酰胺熔融共混纺丝，剪切处理得到碳基改性聚酰胺短纤维。

优选地，所述碳基改性聚酰胺短纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1，将γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)水解在去离子水中得到均相溶液，之后将一定量碳纳米管(CNT)加入该溶液中，在加热条件下充分反应，最后分离得到γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性的改性碳纳米管(FCNT)；

S2，按重量份配比称取聚酰胺和改性碳纳米管(FCNT)，在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后进行熔融纺丝，在拉伸工艺条件下制备改性聚酰胺纤维，剪切处理后得到碳基改性聚酰胺短纤维。

所述碳基改性聚酰胺短纤维直径为1-50微米，长径比为10-200。

再者，按重量份配比称取ABS树脂和碳基改性聚酰胺短纤维，在高速混合机中混合均匀得到预混料；然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将马来酸酐和双-25硫化剂按照重量份配比加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到高强度抗静电复合材料，其中熔融挤出温度为ABS树脂软化点以上10-80℃，螺杆转速为100-350rpm。

作为本发明进一步的方案：所述安全帽用高强度抗静电复合材料在安全帽制备与安全防护制品领域的应用。

作为本发明进一步的方案：所述安全帽用高强度抗静电复合材料在汽车仪表板、内装饰板、方向盘、隔音板、门锁、通风管领域的应用。

作为本发明进一步的方案：所述安全帽用高强度抗静电复合材料制备方法在安全帽制备与安全防护制品领域的应用。

作为本发明进一步的方案：所述安全帽用高强度抗静电复合材料制备方法在汽车仪表板、内装饰板、方向盘、隔音板、门锁、通风管领域的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明将碳纳米管(CNT)表面用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)进行接枝改性得到的改性碳纳米管(FCNT)，熔融纺丝时一方面可以提高碳纳米管在聚酰胺中的分散性，另一方面改性碳纳米管(FCNT)表面的环氧基团可与聚酰胺的-NH-反应实现二者的紧密结合，避免碳管析出。同时经过纺丝与拉伸工艺碳纳米管(CNT)在尼龙纤维中取向排列，更易形成导电通路。

2、由改性碳纳米管(FCNT)和聚酰胺熔融纺丝得到的碳基改性聚酰胺短纤维具有导电性，在与ABS树脂熔融共混后既改善了碳纳米管(CNT)与ABS树脂基体之间的相容性，可以构建导电通路，有降低了复合材料的表面电阻率，实现抗静电效果。

3、碳基改性聚酰胺短纤维具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，可以提高ABS树脂的韧性和耐磨性；同时引入双-25硫化剂和马来酸酐可以实现反应性增容，即碳基改性聚酰胺短纤维与ABS树脂基体之间原位构建化学键合作用，显著改善碳基改性聚酰胺短纤维与ABS树脂的相容性，提高材料力学性能，满足安全帽的特殊使用要求。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的材料和方法的例子。

尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

下述实施例中涉及到的碳基改性聚酰胺短纤维制备方法如下：

(1)将0.5份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)水解在去离子水中得到均相溶液，之后将1份碳纳米管(CNT)加入该溶液中，在60℃加热条件下充分反应，分离得到γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性的改性碳纳米管(FCNT)；

(2)按重量份配比称取10份聚酰胺(PA6)和1份改性碳纳米管(FCNT)，在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后进行熔融纺丝，在拉伸工艺条件下制备碳基改性聚酰胺纤维，剪切处理后得到碳基改性聚酰胺短纤维。碳基改性聚酰胺短纤维直径为1-50微米，长径比为10-200。

实施例1

将60份ABS树脂和10份碳基改性聚酰胺短纤维在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将1份马来酸酐和0.2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到高强度抗静电复合材料，其中熔融挤出温度为110℃，螺杆转速为150rpm。

实施例2

将65份ABS树脂和12份碳基改性聚酰胺短纤维在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将2份马来酸酐和0.5份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到高强度抗静电复合材料，其中熔融挤出温度为130℃，螺杆转速为200rpm。

实施例3

将70份ABS树脂和12份碳基改性聚酰胺短纤维在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将2.5份马来酸酐和1份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到高强度抗静电复合材料，其中熔融挤出温度为150℃，螺杆转速为250rpm。

实施例4

将75份ABS树脂和15份碳基改性聚酰胺短纤维在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将3份马来酸酐和2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到高强度抗静电复合材料，其中熔融挤出温度为170℃，螺杆转速为350rpm。

对比例1

与实施例4相比，未添加碳基改性聚酰胺短纤维，其他相同，具体实施方法为：将75份ABS树脂经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将3份马来酸酐和2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到ABS材料，其中熔融挤出温度为170℃，螺杆转速为350rpm。

对比例2

与实施例4相比，直接添加FCNT，其他相同，具体实施方法为：将75份ABS树脂和1份FCNT在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将3份马来酸酐和2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到复合材料，其中熔融挤出温度为170℃，螺杆转速为350rpm。

对比例3

与实施例4相比，直接添加聚酰胺短纤维，其他相同，具体实施方法为：将75份ABS树脂，15份聚酰胺短纤维在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将3份马来酸酐和2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到复合材料，其中熔融挤出温度为170℃，螺杆转速为350rpm。

实施例4

与实施例4相比，直接添加FCNT和聚酰胺短纤维，其他相同，具体实施方法为：将75份ABS树脂，15份聚酰胺短纤维和1份FCNT在高速混合机中混合均匀得到预混料，然后将预混料经主喂料口加入双螺杆挤出机输送段，通过侧喂料将3份马来酸酐和2份双-25硫化剂加入双螺杆挤出机，经过连续熔融挤出得到复合材料，其中熔融挤出温度为170℃，螺杆转速为350rpm。

性能测试结果

实施例1-4及对比例1-4得到的材料为原材料，通过模具注塑得到安全帽样品，根据GB/2811-2007中的相关标准对各个样品性能进行测试，结果如表1所示：

上述样品在保存1年后，实施例1-4制得的样品的表面电阻分别为5×10

综合上述实验结果可以发现，由实施例1-4的高强度抗静电复合材料制备的安全帽具有低表面电阻率，不会产生静电现象，而且碳基改性聚酰胺短纤维的添加保持了ABS的高强度和高韧性。相较于实施例4，对比例1为ABS材料制备的安全帽，其表面电阻率高达4×10

实施例1-4所得复合材料获得高强度和抗静电效果归于以下几个方面：

(1)本发明将CNT表面用KH560进行接枝改性得到的FCNT，熔融纺丝时一方面可以提高碳纳米管在聚酰胺中的分散性，另一方面FCNT表面的环氧基团可与聚酰胺的-NH-反应实现二者的紧密结合，避免碳管析出。同时经过纺丝与拉伸工艺CNT在尼龙纤维中取向排列，更易形成导电通路。

(2)由FCNT和聚酰胺熔融纺丝得到的碳基改性聚酰胺短纤维具有导电性，在与ABS熔融共混后既改善了CNT与ABS基体之间的相容性，可以构建导电通路，有降低了复合材料的表面电阻率，实现抗静电效果。

(3)碳基改性聚酰胺短纤维具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，可以提高ABS的韧性和耐磨性；同时引入双-25硫化剂和马来酸酐可以实现反应性增容，即短纤维与ABS基体之间原位构建化学键合作用，显著改善碳基改性聚酰胺短纤维与ABS的相容性，提高材料力学性能，满足安全帽的特殊使用要求。

所属领域的技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。