石墨烯/PVC材料抗静电性能的研究

汪海位,尹建平,韩忠良

(新疆天业天伟化工有限公司，新疆 石河子 832000)

PVC材料具有较高的力学性能、良好的耐化学腐蚀性和阻燃性能等特性，且价格低廉，在工业生产中得以广泛应用。但PVC材料表面电阻高(1014～1017Ω)，导电能力差，表面极易因摩擦而积聚静电荷，当静电荷积聚到一定程度时便发生火花放电，进而导致可燃气体的燃烧、爆炸等危险。如果通过改性使PVC材料具有抗静电性能，那么在煤矿、石油、化工、纺织、危险品仓库、电子及无线通信、半导体工业等领域就可用PVC材料来生产板材、管材、传送带、设备罩等制品，进一步拓宽PVC材料的应用领域。

为了改善PVC材料的抗静电性能，科研工作者开展了大量的研究，如通过添加导电炭黑等填料来改进PVC材料的抗静电性能，但这会使PVC材料的力学性能下降。随着“超级材料”石墨烯的出现，其具有的独特结构和优良的电学、光学、热学和力学性能引起了人们的关注[1]。为了改进PVC材料的抗静电性能，笔者采用共混改性和涂层改性的方法制备了石墨烯/PVC材料，对其抗静电性能进行了考察。

1 共混改性

1.1 试验原料

PVC树脂，TY-1000，新疆天业天伟化工有限公司；片状复合稳定剂，江苏联盟化学有限公司；CPE，潍坊亚星化学股份有限公司；ACR，山东日科化学股份有限公司；CaCO3、炭黑，市售。

石墨烯为自制，制备方法为：以天然石墨粉为原料，以改进的Hummers法制备氧化石墨，并采用维生素C还原得到还原氧化石墨烯[2]。

1.2 主要试验设备

双辊炼塑机，SJK-160，武汉怡扬塑料机械有限公司；平板硫化机，XLB-D450，南通新科橡塑机械有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 原料的混合、混炼

按配方将PVC、CPE、ACR、CaCO3、复合稳定剂、炭黑混合均匀，再加入石墨烯粉体混合均匀，在双辊炼塑机中将物料压成薄片，温度设定为160 ℃，混炼6 min，将冷却好的薄片剪碎备用。

表1 试验配方Table 1 Test formulation

1.3.2 压制成型

将混炼好的物料放入已预热到170 ℃的平板硫化机的模具中，于15 MPa保压热压5 min，再冷压3 min，取出成型样品备用。

1.4 性能测试

将压制成型的样品制成100 mm×100 mm的样片，采用表面电阻测定仪测定其表面电阻。

1.5 试验结果

石墨烯用量对试样表面电阻的影响见表2。为了提高试样的抗静电性能，添加了3份炭黑与石墨烯配合使用。

表2 石墨烯用量对PVC材料表面电阻的影响Table 2 Effect of addition amount of graphene on surface resistance of PVC material

当石墨烯用量大于1.0份时，随着石墨烯用量的增加，PVC材料的表面电阻明显下降；但用量达到4.0份时，仍具有较高的电阻(抗静电材料的表面电阻<106Ω)，难以达到抗静电的效果。这可能是由于动态机械剪切会破坏石墨烯的三维导电网络结构，从而降低其抗静电作用[3]。

2 涂层改性

利用石墨烯将PVC糊树脂溶胶制成具备抗静电性能的材料，采用浸渍、涂刮、喷涂、搪胶等加工方法在PVC制品的表面形成涂层，就可以防止PVC材料表面因静电积聚而形成电火花，避免发生燃烧、爆炸等危险。PVC抗静电涂层的优点有：在加工温度下，能够完全与PVC基材黏合形成整体，不会脱落；施工简单灵活，可在PVC基材加工的同时完成PVC抗静电涂层的施工，也可在PVC基材加工完成后，二次进行涂层施工；抗静电涂层的厚度较小，即使导电填料的用量较大，对经济成本的影响也十分有限；PVC抗静电涂层对PVC制品的力学性能影响很小[3]。

2.1 试验原料

PVC糊树脂，TPH-31，新疆天业天伟化工有限公司；石墨烯，自制；液体钙锌稳定剂、炭黑，市售；DOP，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；环己烷，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

2.2 试样制备

2.2.1 配制石墨烯溶液

称取100份环己烷于烧杯中，将10份石墨烯粉末加入环己烷中，超声波搅拌15 min，得到的悬浊液备用。

2.2.2 制备炭黑浆

称取一定量的炭黑在研钵中充分研磨，与DOP按照1∶1的质量比加入烧杯中，利用高速分散机于1 000 r/min的转速下分散30 min，得到的炭黑浆备用。

2.2.3 制备石墨烯-PVC溶胶

在干净的500 mL烧杯中依次加入60份DOP、3份液体钙锌稳定剂和6份炭黑浆；缓慢加入100份PVC糊树脂，利用高速分散机在600 r/min的转速下混合30 min；再加入石墨烯悬浊液，仍以600 r/min的转速搅拌30 min，抽真空脱除泡沫，在25 ℃恒温条件下储存备用。

2.2.4 制备PVC基材

按照表3配方制备PVC基材，方法同1.3。

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

2.3 涂布涂层

将PVC基材放入180 ℃烘箱中烘烤2 min后迅速取出放置在离型纸上，四周用相同厚度的玻璃板固定，在试样的上方倒入经过预先搅拌的石墨烯-PVC溶胶，用0.5 mm的涂刮棒在试样上均匀涂刮，取出试样在烘箱中继续烘烤3 min后取出，然后迅速放置于2张表面为镜面光的不锈钢板间，用10 kg砝码于常温下压平定型30 min。

2.4 试验结果

石墨烯用量对PVC材料表面电阻的影响见表4。由表4可知：当石墨烯用量达到2.0份时，PVC材料已达到了抗静电材料的要求(表面电阻<106Ω)。这可能是2方面原因造成的：石墨烯分散在非极性溶剂环己烷中，最大限度地保留了石墨烯的网状结构特性；同时，炭黑粒子穿插其中，在PVC溶胶中能够自由分散而不发生聚集，形成了导电网络。

表4 石墨烯用量对PVC材料表面电阻的影响Table 4 Effect of addition amount of graphene on surface resistance of PVC material

3 结语

采用共混改性的方法添加石墨烯、炭黑来制备PVC抗静电材料，石墨烯的用量较大，在成本上不经济，还会导致材料的力学性能下降。而采用涂层改性的方法将石墨烯-PVC溶胶涂布在PVC材料表面，不仅大幅提高了材料的抗静电性能，而且石墨烯的用量很少，同时保留了PVC材料原有的力学性能。

石墨烯作为新材料领域的一颗新星，将越来越受到各个领域的关注。要将石墨烯/PVC抗静电材料推广到工业化应用，还需要进行更深入、完善的研究。