一种透气舒适型防电弧面屏材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种透气舒适型防电弧面屏材料及其制备方法，属于高分子材料及其制备方法技术领域。

背景技术

目前，国内外的大部分面屏都是普通的聚碳酸酯材料，所以在一些带电作业环境中，尤其是可能会有电弧事故发生的场景中，普通的聚碳酸酯材质的面屏是不能抵抗电弧发生爆炸时候的冲击的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种透气舒适型防电弧面屏材料及其制备方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

本发明采取的技术方案为：一种透气舒适型防电弧面屏材料，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)90-97份、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)0.1-5份、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.1-1份、聚硅氧烷偶联剂0.01-0.05份、阻燃剂全氟丁基磺酸钾0.1-3份、抗氧剂0.005-0.01份、丙烯酸酯类增韧剂0.05-2份。

优选的，所述聚碳酸酯分子结构为：

优选的，所述碳纳米粒子材料为多壁碳纳管(MWCNT)。

优选的，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)90份、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)5份、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.48份、聚硅氧烷偶联剂0.02份、阻燃剂全氟丁基磺酸钾2.5份、抗氧剂0.005份、丙烯酸酯类增韧剂1.995份。

优选的，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)95份、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)3份、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.49份、聚硅氧烷偶联剂0.01份、阻燃剂全氟丁基磺酸钾0.5份、抗氧剂0.005份、丙烯酸酯类增韧剂0.995份。

优选的，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)97份、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)2份、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.1份、聚硅氧烷偶联剂0.01份、阻燃剂全氟丁基磺酸钾0.87份、抗氧剂0.01份、丙烯酸酯类增韧剂0.01份。

本发明还公开了一种透气舒适型防电弧面屏材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，在105-110℃下将聚碳酸酯烘干至含水率小于等于0.2％；

步骤二，按照配方称取上述重量份的各组分并且混合均匀；

步骤三，使用双螺杆挤出机将步骤二中混合均匀的各组分加热、融化并且挤出得到颗粒材料；

步骤四，使用双螺杆挤出机将步骤三中的颗粒材料熔融并且注射在面屏的模具上；

步骤五，使用双螺杆挤出机对成型面屏脱模进行冷却清洗，冷却清洗完毕后将面屏取下得到面屏产品。

优选的，所述步骤三中，双螺杆挤出机的料筒温度240-290℃，螺杆长径比为20-30，螺杆转速30-60rpm，旋转时间为3-6分钟。

优选的，所述步骤四中，熔融注射压力50-90MPa，模具温度60-120℃，环境温度25℃士1℃。

优选的，所述步骤五中，清洗温度为35-55℃，清洗时间为60s-180s。

本发明的原理如下：

聚碳酸酯(PC)树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击能力，耐蠕变和尺寸稳定性好，耐热、吸水率低、无毒、介电性能优良，是五大工程塑料中唯一具有良好透明性的产品，也是近年来增长速度最快的通用工程塑料。目前广泛应用于汽车、电子电气、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域，随着改性研究的不断深入，正迅速拓展到航空航天、计算机、光盘等高科技领域。

一、聚碳酸酯的分子链结构如下：

二、聚碳酸酯分子结构链的上每个基团的作用：

主链除R基以外的基团：

1.苯基：大共的芳香环状体，是难以弯曲的僵直部分，提高了分子链的刚性，赋予聚合物机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐候性和尺寸稳定性，降低了它在有机溶剂中的溶解性和吸水性。

2氧基：又叫醚键，它的作用和苯基相反，增大了分子链的柔性，加大了聚合物在有机溶剂中的溶解性和吸水性。

3羰基：增大分子间的相互作用力，使大分子链间靠的更紧密，聚合物刚性增大。

4.酯基：极性较大的基团，是聚碳酸酯分子链中较薄弱的部分，易水解断裂，使聚碳酸酯极易溶于极性有机溶剂，也是它的电绝缘性不及非极性的甚至弱极性的聚合物的原因。

三、聚碳酸酯材料的一些性能：

1.力学性能

PC的冲击强度特别突出，是热塑性塑料中冲击强度最好的品种之一其数值比聚酷胺、聚甲醛等高3-10倍，接近酚醒树脂和聚醋玻璃钢PC的弹性模量高，受温度影响小，蠕变小，尺寸稳定性好。PC的主要缺点是皮料强度低，易产生应力开裂、耐磨性较差、缺口冲击敏感性高等。PC的力学性能见下表：

大多数PC在低温时的缺口冲击强度在640-910J/m，具有较高的缺口敏感性。因而在制品设计时做些改进，就会获得比标准试验所得的数据高得多的实际缺口冲击强度。另外，冲击缺口敏感性与PC的相对分子质量大小有一定关系，相对分子质量越低，冲击缺口半径的影响程度就越大这在实际应用中必须引起足够的重视。

2.热学性能：

PC是无定形聚合物，分子链刚性大，玻璃化转变温度为150℃。玻璃化转变温度高，使其具有优良的尺寸稳定性，负荷下仍有优良的耐腐变形。PC的热变形温度在热塑性塑料中属于较高的一类，特别是在负荷差异较大的情况下，其热变形温度差异小。PC的长期使用温度可达120℃短期可耐140℃，具有良好的耐寒性。

3.耐老化和燃烧性能：

PC在波长为290mm的紫外光作用下，会发生光氧化反应而逐渐老化老化先从表面黄变开始，由于分子主链的断裂产生分子量降低以及机械强度下降，最终发生龟裂。若将pc薄膜在空气中长时间加热，性能变化很小。

PC可燃，在火中燃烧时火焰呈淡黄色，冒黑烟，但氧指数仅为25，离开火焰后立即自动熄灭。因此，PC在火中较难融化。

4.光学性能：

纯净的PC具有良好的可见光透过性能。其透光率与样片厚度有关样片厚度为2mm，其透光率为90％，与无机玻璃相当。PC对波长400mm一下的紫外光的透过性能较弱，对波长305nm的紫外光的吸收能力最强，其片材可作为防紫外光的镜片使用。对于红外线，PC只是选择性的吸收其中某种特定波长的谱图。

碳纳米管(carbon nanotube，CNT)是1991年才被发现的一种碳结构。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(SWCNT)多于一层的则称为多壁碳纳管(MWCNT)SWCNT的直径一般在几到几十纳米之间，长约数微米至数毫米，是一种一维纳米材料。PC/CNT纳米复合材料的力学性能与CNT在PC中的分散程度有关。CNT能提供应力转移点，在制备过程中应尽量使CNT分散均匀，避免形成应力集中点，而且良好的CNT和PC界面结合力能使两相界面的负荷有效地转移，有利于力学性能的提高。此外CNT在PC基体中的均与排列、摩擦滑动也能改善复合材料的分散能量响应，有利于提高PC的力学性能。

碳纳米管因其超平寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。

提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到60％以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。

本发明用聚碳酸酯与碳纳米改性聚碳酸酯颗粒材料，通过注塑而形成注塑材料，通过注塑形成了防电弧面屏，本方电弧面屏材料属于本质阻燃防电弧面屏材料。

当电弧发生时，防电弧面屏可以智能吸收电弧发生时候的的能量，然后通过能量的转化，后再次抵抗电弧的发生。所以当面屏抵挡电弧能量后，面屏的表面会碳化，变黑、发泡、形成致密的空气层，来抵抗的电弧能量，来保护工作人员的脸面部。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明采用碳纳米粒子共混改性聚碳酸酯，将阻燃剂全氟丁基磺酸钾，丙烯酸酯类增韧剂，纳米二氧化钛进行干燥，将聚碳酸酯烘干至含水率在0.2％，将配方中的各组分按比例混合、熔融注塑、冷却成型，最终得到面屏；本发明不仅提供可靠防电弧面屏，改善了聚碳酸酯面屏的耐热性及耐瞬间热能冲击性，实现了提升阻燃性及透光性，为电力作业施工提供面部安全防护；本发明满足防高能级电弧伤害，具有阻燃隔热，透光且遇热不会熔融滴落。

附图说明

图1是一种透气舒适型防电弧面屏材料的制备方法工艺流程图。

图2是电弧发生前一种透气舒适型防电弧面屏的照片。

图3是电弧发生后一种透气舒适型防电弧面屏的照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：

一种透气舒适型防电弧面屏材料，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)90kg、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)5kg、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.48kg、聚硅氧烷偶联剂0.02kg、阻燃剂全氟丁基磺酸钾2.5kg、抗氧剂0.005kg、丙烯酸酯类增韧剂1.995kg；

本实施例中的聚碳酸酯分子结构为：

本实施例中的碳纳米粒子材料为多壁碳纳管(MWCNT)。

本实施例还公开了一种透气舒适型防电弧面屏材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，在110℃下将聚碳酸酯烘干至含水率等于2％，另外，对阻燃剂全氟丁基磺酸钾，丙烯酸酯类增韧剂，纳米二氧化钛进行干燥；

步骤二，按照配方称取上述重量份的各组分并且混合均匀；

步骤三，使用双螺杆挤出机将步骤二中混合均匀的各组分加热、融化并且挤出得到颗粒材料，双螺杆挤出机的料筒温度240℃，螺杆长径比为20，螺杆转速60rpm，旋转时间为5分钟；

步骤四，使用双螺杆挤出机将步骤三中的颗粒材料熔融并且注射在面屏的模具上，熔融注射压力80MPa，模具温度100℃，注塑时间20s，环境温度25℃士1℃；

步骤五，使用双螺杆挤出机对成型面屏脱模进行冷却清洗，清洗温度为55℃，清洗时间为60s，冷却清洗完毕后将面屏取下得到面屏产品。

本实施例中的双螺杆挤出机为现有的，双螺杆挤出机包括进料系统，双螺杆挤出系统，模头系统，冷却系统。

电弧发生前、后的面屏的照片如图2-图3所示。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：一种透气舒适型防电弧面屏材料，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)95kg、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)3kg、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.49kg、聚硅氧烷偶联剂0.01kg、阻燃剂全氟丁基磺酸钾0.5kg、抗氧剂0.005kg、丙烯酸酯类增韧剂0.995kg。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：一种透气舒适型防电弧面屏材料，包含如下重量份的组分：聚碳酸酯(重均分子量20000-30000，熔融粘度1200Pa·s)97kg、碳纳米粒子(粒径30nm-100nm)2kg、纳米二氧化钛(粒径20nm-100nm)0.1kg、聚硅氧烷偶联剂0.01kg、阻燃剂全氟丁基磺酸钾0.87kg、抗氧剂0.01kg、丙烯酸酯类增韧剂0.01kg。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于：

本实施例还公开了一种透气舒适型防电弧面屏材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，在105℃下将聚碳酸酯烘干至含水率等于0.2％；

步骤二，按照配方称取上述重量份的各组分并且混合均匀；

步骤三，使用双螺杆挤出机将步骤二中混合均匀的各组分加热、融化并且挤出得到颗粒材料，双螺杆挤出机的料筒温度250℃，螺杆长径比为20，螺杆转速50rpm，旋转时间为4分钟；

步骤四，将步骤三中的颗粒材料熔融并且注射在面屏的模具上，熔融注射压力70MPa，模具温度120℃，环境温度25℃士1℃；

步骤五，使用双螺杆挤出机对成型面屏脱模进行冷却清洗，清洗温度为50℃，清洗时间为60s，冷却清洗完毕后将面屏取下得到面屏产品。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于：

本实施例还公开了一种透气舒适型防电弧面屏材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，在110℃下将聚碳酸酯烘干至含水率等于0.15％；

步骤二，按照配方称取上述重量份的各组分并且混合均匀；

步骤三，使用双螺杆挤出机将步骤二中混合均匀的各组分加热、融化并且挤出得到颗粒材料，双螺杆挤出机的料筒温度290℃，螺杆长径比为20，螺杆转速40rpm，旋转时间为6分钟；

步骤四，将步骤三中的颗粒材料熔融并且注射在面屏的模具上，熔融注射压力90MPa，模具温度80℃，环境温度25℃士1℃；

步骤五，步骤五，使用双螺杆挤出机对成型面屏脱模进行冷却清洗，清洗温度为40℃，清洗时间为60s，冷却清洗完毕后将面屏取下得到面屏产品。

防电弧伤害就是防火灾伤害，要求面屏具有一定的阻燃性，且有一定抗冲击能量，并且具有一定的透光性，最重要的是防电弧值越高越好。

将实施例1-实施例5得到的面屏进行防电弧实验，实验结果如下：

通过实验数据可以得出，实施例1-4均具备良好的阻燃性、抗冲击强以及透光率，实施例5的透光率相比实施例1-4较差，防电弧值实施例4最好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。