[发明专利]聚合物膜包覆的碳颗粒、生产及使用其的方法

说明书

技术领域

本发明涉及含有等离子体包覆的富勒烯烟灰颗粒(fullerenic soot particles)的组合物、制备其的方法、及其在聚合物掺混物中的应用。

背景技术

炭黑被用作添加到聚合物、热塑性塑料和橡胶中的导电性添加剂。聚合物/炭黑复合物通常显示出非常典型的渗透行为(percolation behavior)。复合物的电阻率如图1所示的曲线。

如图1所示，将炭黑添加到聚合物复合物中，到某一水平，对DC电阻率没有任何作用，然后突然电阻率下降至低水平并且接下来只非常慢地变化，这是本领域中众所周知的现象。选作填料的炭黑类型通常只对达到渗透作用所需要的浓度有影响，而得到的聚合物/炭黑掺混物的电导率保持在恒量水平，而不管添加的作为填料的炭黑的类型。在一些应用中，不需要导电聚合物，并且填料应该只用作不导电聚合物的抗静电改性剂(antistatic modifier)。

炭黑通常也用作弹性体(橡胶)掺混物中的填料。这种橡胶掺混物在例如轮胎工业中非常重要。由于不同橡胶对压力具有不用类型响应，将所选择的橡胶掺混，从而满足相互矛盾的一组特性(contradictory set of properties)，即，出产具有所需要的特性的橡胶产品。掺混也改进了橡胶的可加工性，并且可总体减小生产成本。

橡胶很少以纯的形式使用。通常其与增强填料(reinforcing fillers)、非增强填料、增塑剂(plasticizer)、加工助剂(process aids)、抗氧化剂(antioxidants)和硫化成分(vulcanization ingredient)掺混，从而提供需要的物理特性并产生最佳的硫化水平。相反，热塑性塑料与少量的配料掺混，例如填料、稳定剂和加工助剂，并且在高于其熔点的温度或玻璃转变温度加工。

实际上，炭黑是橡胶工业中用于改进橡胶的机械和动力特性的最重要的活性填料之一。这些填料在橡胶基质中的性质非常不同，主要因为其表面特征不同。填料的表面特征对于湿润行为(wetting behavior)、与橡胶基质的相互作用、在基质中的再聚合作用(reagglomeration)等具有重要影响。

通常用炭黑填料遇到的一个问题是，常规炭黑的表面能正常高于各种弹性体，像苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、丁二烯橡胶(BR)和乙烯-丙烯-二烯橡胶(EPDM)。由于填料和橡胶间具有大的表面能差异，填料-填料相互作用增加，其反过来对掺混中得到分散状态的稳定具有负面的影响。减小对各种类型橡胶的表面能和化学反应，可帮助与这些填料相容。

为了改性炭黑颗粒的表面能和特性，尝试用聚合物层包覆炭黑颗粒。在表面产生聚合物膜导致改变的接触阻力(contact resistance)和接触容量(contact capacity)。换句话说，与含有未改性的炭黑填料的聚合物或掺混物相比，利用聚合物包覆炭黑的聚合物/炭黑掺混物显示出增加的DC电阻率，因为电子会通过粒子附加的表面聚合物层穿过，从而与周围的填料颗粒或聚合物相互作用。

炭黑通过聚合的表面改性在本领域中是普遍已知的。本领域中描述了通过常规聚合反应(在适合的溶剂中溶解单体、用炭黑颗粒接触单体溶液和可能的添加剂、和随后的溶剂蒸发(主要通过加热)，从而在颗粒表面形成聚合物层)聚合炭黑。例如，在Tokai Carbon KK的日本公开未审查申请No.1996-291295(JP 08291295A)中描述的，在溶剂存在的情况下，在含炭黑的富勒烯烟灰表面沉积环氧树脂或酚树脂。

然而，常规聚合有许多缺点，例如需要应用加热获得在表面上的层的固定、并且在最终产物中存在不想要的用于完成聚合的残留溶剂或其他添加剂。

等离子体聚合作为对金属、聚合物和粉体的表面改性技术出现。等离子体聚合不同于常规聚合过程。由等离子体聚合和常规聚合形成的聚合物通常在化学组成中不同，化学和物理特性也不同，甚至用于聚合的单体相同。等离子体聚合物的这个独特性由聚合物形成过程的反应机制产生。

该技术涉及单体分子的电场轰击，由此产生活性单体种类，然后其与表面反应，从而在基底上形成膜。因此，基底的表面特性显著改变。通过选择适合的单体，基底即可制成疏水的又可制成亲水的。等离子体聚合可在周围温度下实施，并且该过程不需要任何溶剂，使其为清洁的过程。