一种可温控电加热长玻纤增强材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种可温控电加热长玻纤增强材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.电能是当今社会生产活动和日常生活中不可缺少的能源，特别是进入21世纪以来，电能的消费急速增长，社会技术进步将电能的用途从最初的照明和动力为中心，发展到加热、暖气、热水烹调等电加热领域。
3.目前，焦耳电阻加热技术应用最为广泛，即电流通过电导率有限的电阻加热元件时，其材料中的电阻损耗会使电能转化为热能，电阻加热元件常常使用镍络合金，随着材料技术的进步，除了fe
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cr
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al系、ni
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cr系、w及mo之类高熔点的金属物之外，还开发了碳化硅、钼矽化物等无机发热体，该类电加热材料具有良好的电导率，电阻很小，容易产生很高的功率和温度，多应用于高温加热领域，但是其最终产品的设计、组装往往极为复杂，从而限制了其应用领域。高分子材料也可作为电加热元件，一般需要在其内部添加电加热功能添加剂，即采用橡胶、树脂等高分子材料作为连续相，导电助剂作为分散相，其电阻值相对较高，多适用于低温加热的应用，该类材料的研究多集中于薄膜、纤维应用领域，但是其控温性能差、机械强度相对偏低、成型困难且价格昂贵，大大降低了其实际应用价值；因此，开发具有可电加热、可稳定控温，且强度高、加工便利、设计自由度高的高分子电加热材料将成为一个新技术、新课题。
4.长纤维增强热塑性塑料是近些年取得突破进展的新产品，所采用的增强塑料粒子在注塑加工后其制品中的纤维长度远远高于传统短玻纤增强材料，lft 产品相比于传统短纤维增强制品的弯曲模量和冲击强度增强很多，能够满足大范围终端用户的需求，其制品的高硬度、低成本、轻量化、防腐及其优异的加工性能能够适应各种复杂结构的产品。关于长纤维增强热塑性塑料的相关发明专利诸如：公告号为cn104448566a的长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯复合材料及其制备方法，公开号为cn106867101a的连续纤维增强热塑性树脂预浸线、制备方法及所使用装置，公开号为cn104119688a的一种长纤维增强热塑性塑料颜色母粒及其制备方法等，针对长玻纤增强热塑性塑料进行机械性能、染色、强度、模量方面进行的性能优化，但是在电加热方面鲜有报道，现有长玻纤增强热塑性塑料并不具备电加热功能。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是通过配方技术和工艺方法方向的创新，开发出一种可温控电加热长玻纤增强材料及其制备方法和应用，产品材料具有可电加热、可稳定控温的功能外，还具有高强度、高刚性、一体成型等技术优势，由该材料制备的电煎锅将具有更广阔的市场及应用前景。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种可温控电加热长
玻纤增强材料，所述可温控电加热长玻纤增强材料由以下成分按重量百分比组成，第一pps基体树脂0～45％、电加热功能母粒30～65％、长玻纤20～50％；所述电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂 65～75％、分散剂1～3％、少层石墨烯10～18％、导电炭黑10～18％，所述第一pps 基体树脂和第二pps基体树脂的熔体流动指数不同。
7.优选的，所述第一pps基体树脂的熔体流动指数mfi大于200(316℃/5kg)，所述第二pps基体树脂的熔体流动指数mfi大于500(316℃/5kg)。
8.优选的，所述少层石墨烯选用6～10层的少层石墨烯。
9.优选的，所述少层石墨烯通过物理机械剥离法制备获得。
10.优选的，所述分散剂选用具有乙烯
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双硬脂酰胺结构的分散剂。
11.优选的，所述长玻纤选用连续玻璃纤维，所述连续玻璃纤维的直径范围为 6～15um，强度大于2500mpa。
12.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法，包括以下制备步骤：
13.(1)将少层石墨烯、导电炭黑、分散剂于混料机中，在100℃下混合均匀；
14.(2)向步骤(1)获得的混合物中加入第二pps基体树脂，继续搅拌均匀，得到预处理混合物；
15.(3)将步骤(2)获得的预处理混合物通过高分散双螺杆挤出机挤出，经过拉条、水冷、切粒制作获得初步电加热功能助剂母粒；
16.(4)对初步电加热功能助剂母粒进行干燥备用；
17.(5)将初步电加热功能助剂母粒和第一pps基体树脂在混料机中混合均匀，得到二次处理混合物；
18.(6)将二次处理混合物加入到长纤维增强材料专用挤出装置中，挤出熔融至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，同时，放置在连续纤维架上的连续长纤维拉伸引入至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，同熔融的二次处理混合物充分浸润，并从模头出口引出；
19.(7)最后经过拉条、冷却、切粒，制成可温控电加热长玻纤增强材料。
20.优选的，所述少层石墨烯分为两部分加入，其中：上述步骤(1)中加入一半量的少层石墨烯，上述步骤(3)获得初步电加热功能助剂母粒后，再加入另外一半量的少层石墨烯，经过混合，再次通过高分散双螺杆挤出机挤出，经过拉条、水冷、切粒制作，最终获得电加热功能助剂母粒，然后如上述步骤(4)～(7)依次对电加热功能助剂母粒进行依次处理。
21.优选的，所述步骤一中的混料时间为6～10min、步骤二中的挤出机转速 300
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500rpm、所述步骤五中的挤出装置温度设定290
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330℃，模头温度设定 330℃。
22.为解决上述技术问题，本发明还采用了另一个技术方案是：所述的可温控电加热长玻纤增强材料应用于电煎锅领域。
23.本发明的有益效果是：本发明制备出的一种可温控电加热长玻纤增强材料，首先进行树脂、玻纤体系的含量、种类、比例等筛选，然后对电加热功能添加剂的种类、不同电加热功能添加剂的处理工艺进行评估，最后对物理机械性能、温控性能，选取性能优异的体系及配比，最终确定产品的配比及工艺；
24.对于原材料筛选方面，考虑到该电加热材料的各种应用环境，可最高稳定加热至160℃以上，选取可长期耐高温、本征阻燃的pps作为基材树脂，同时考虑到长玻纤增强工艺的特殊性及提高电加热助剂的分散性，在保证优异综合性能的基础上对高流动性进行了性能限定；对于电加热功能母粒而言，考虑到成本和性能，石墨烯具有单个二维碳原子层的蜂巢状晶体，独特的结构使其具有优异的物理化学特性，选择六到十个完整石墨烯层堆垛构成的二维少层石墨烯材料，相对于单层石墨烯，其热力学的稳定性高，兼顾物性及成本优势，且易在高分子材料中均匀分散，并形成良好的复合界面；为了进一步提高电加热功能助剂在基础树脂中的分散，并改善加工性能，本方案选用具有乙烯
‑
双硬脂酰胺结构的分散剂，比如轻质酰胺mpk。
25.通过上述原材料配比的工艺调整，制备出的长玻纤增强材料，具有优异的可温控、快速电加热能力，在70v(ac)的电压下，6分钟内温度可由24℃稳定升至165℃以上，连续多次加热，温度偏差小；同时，通过改变玻纤的含量来调节材料的机械强度和冲击韧性，一方面拉伸强度可达100mpa以上，弯曲强度可达170mpa以上，缺口冲击强度可达8kj/m2以上，另一方面可大大抵消因电加热助剂的加入，给树脂基体机械性能带来的负面影响，从而满足大范围终端用户的需求，本发明中的电加热材料具有轻便、高集成一体化、高设计自由度、防腐、耐化学、阻燃、低成本的技术优势，尤其在电煎锅技术领域具有优越的应用市场。
具体实施方式
26.下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
27.实施例1：
28.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一 pps基体树脂40％、电加热功能母粒30％、长玻纤30％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂24.5％、轻质酰胺mpk分散剂0.7％、少层石墨烯5％、导电炭黑5％。
29.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法，包括以下制备步骤：
30.(1)将少层石墨烯(一半用量)、导电炭黑、轻质酰胺mpk分散剂于混料机中，在100℃下混合，混料时间为6～10min；
31.(2)向步骤(1)获得的混合物中加入第二pps基体树脂，继续搅拌均匀，得到预处理混合物；
32.(3)将步骤(2)获得的预处理混合物通过高分散双螺杆挤出机挤出，挤出机转速300
‑
500rpm，经过拉条、水冷、切粒制作获得初步电加热功能助剂母粒；
33.(4)然后再加入另外一半量的少层石墨烯，经过混合，再次通过高分散双螺杆挤出机挤出，经过拉条、水冷、切粒制作，最终获得电加热功能助剂母粒；
34.(5)对步骤(4)中获得的电加热功能助剂母粒进行干燥备用；
35.(6)将步骤(5)中获得的电加热功能助剂母粒和第一pps基体树脂在混料机中混合均匀，得到二次处理混合物；
36.(7)将步骤(6)中获得的二次处理混合物加入到长纤维增强材料专用挤出装置中，挤出熔融至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，挤出装置温度设定290
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330℃，同时，
放置在连续纤维架上的连续长纤维拉伸引入至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，模头温度设定330℃，同熔融的二次处理混合物充分浸润，并从模头出口引出；
37.(8)最后经过拉条、冷却、切粒，制成可温控电加热长玻纤增强材料。
38.实施例2：
39.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一 pps基体树脂20％、电加热功能母粒50％、长玻纤30％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂35％、轻质酰胺mpk分散剂1％、少层石墨烯7％、导电炭黑7％。
40.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法和实施例1一样。
41.实施例3：
42.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一 pps基体树脂5％、电加热功能母粒65％、长玻纤30％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂45％、轻质酰胺mpk分散剂1.3％、少层石墨烯9.1％、导电炭黑9.1％。
43.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法和实施例1一样。
44.实施例4：
45.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一 pps基体树脂30％、电加热功能母粒50％、长玻纤20％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂35％、轻质酰胺mpk分散剂1％、少层石墨烯7％、导电炭黑7％。
46.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法和实施例1一样。
47.实施例5：
48.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一pps基体树脂10％、电加热功能母粒50％、长玻纤40％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂35％、轻质酰胺mpk分散剂1％、少层石墨烯7％、导电炭黑7％。
49.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法和实施例1一样。
50.实施例6：
51.一种可温控电加热长玻纤增强材料，由以下成分按重量百分比组成，第一 pps基体树脂0％、电加热功能母粒50％、长玻纤50％；其中电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂35％、轻质酰胺mpk分散剂1％、少层石墨烯7％、导电炭黑7％。
52.该可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法和实施例1一样。
53.性能测试：
54.使用instron 5569电子式万能材料实验机，根据iso 527测试该材料的拉伸强度、拉伸模量，根据iso 178测试该材料的弯曲强度；使用tinus olsen it504塑料冲击测试仪，根据iso 179测试该材料的冲击性能；使用自制设备测试不同电压下该材料的温度随时间的变化，即把黄铜螺丝钻入标准拉伸样条，黄铜螺丝相距115mm，通电下调节电压由15v至70v变化，测试样条表面的温度变化，测试结果如下所示(鉴于数据较多，分为两个表格体现)：
55.[0056][0057]
其中上述电加热功能母粒中的制备配方如下：
[0058][0059]
通过上述表格可以看出：
[0060]
(1)本发明电加热材料具有优异的电加热性能：电压在70v(ac)时，本发明电加热材料可在6min内，温度由22℃上升至171.3℃；相较于对比例1中，对比材料同样在70v电压
下，温度变化很小，不具备电加热能力；同时，本发明电加热材料的缺口冲击强度甚至高于同比例短玻纤增强材料的对比例1，避免了电加热助剂对材料冲击性能的负面影响。
[0061]
(2)本发明电加热材料具有优异的可稳定温控性能：电压在30v(ac)时，本发明电加热材料可在6min内，温度由22℃升至55.4℃，持续加热30min后，温度为57.9℃，温度变化小于5℃；升高电压到70v(ac)时，本发明电加热材料不仅可以在6min内，温度由22℃升至171.3℃，而且在持续加热30min后，温度为174.5℃，温度变化小于5℃；如实施例2、4、5、6，电压在70v(ac)时，连续加热10次，温度偏差均小于5％，且电阻值始终稳定在1e2
‑
1e3之间；而相较于对比例2，碳纤维增强pps在低电压30v(ac)时，加热6min后，材料已严重变形。
[0062]
(3)本发明电加热材料具有优异的机械性能：如实施例2、4、5、6，通过提高长玻纤的含量，可提高本电加热材料的机械强度；当玻纤比例达到40％时，如实施例5，材料的拉伸强度和弯曲强度接近对比例1，其冲击强度甚至高于对比例1；相较于对比例3中的导电炭黑增强材料，虽然其具有电加热能力，电压在70v(ac)时，可在6min内温度由23℃升至135.2℃，但其机械性能极差，不具备实际应用价值。
[0063]
(4)本发明提高电加热母粒的比例，可提高材料的可加热温度：如实施例1
‑
3，电压在30v(ac)时，材料可在6min内，温度分别由22℃升至28.8℃，55.4℃， 106.4℃；但在电加热母粒的比例达到65％时，如实施例3，电压在70v(ac)时，加热6min后材料已严重变形，材料失去可温控性。
[0064]
另外，针对本发明还通过煎鸡蛋实验演示了该材料的电加热能力，将该材料的表面温度通电加热至125℃后，倒入生鸡蛋，1分半钟后，鸡蛋半熟状态，4 分钟后，接近全熟，充分体现了该材料优异的温控性能，在电煎锅领域具有较好的应用价值。
[0065]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述可温控电加热长玻纤增强材料由以下成分按重量百分比组成，第一pps基体树脂0～45％、电加热功能母粒30～65％、长玻纤20～50％；所述电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二pps基体树脂65～75％、分散剂1～3％、少层石墨烯10～18％、导电炭黑10～18％，所述第一pps基体树脂和第二pps基体树脂的熔体流动指数不同。2.根据权利要求1所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述第一pps基体树脂的熔体流动指数mfi大于200(316℃/5kg)，所述第二pps基体树脂的熔体流动指数mfi大于500(316℃/5kg)。3.根据权利要求1所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述少层石墨烯选用6～10层的少层石墨烯。4.根据权利要求3所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述少层石墨烯通过物理机械剥离法制备获得。5.根据权利要求1所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述分散剂选用具有乙烯
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双硬脂酰胺结构的分散剂。6.根据权利要求1所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述长玻纤选用连续玻璃纤维，所述连续玻璃纤维的直径范围为6～15um，强度大于2500mpa。7.一种可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：(1)将少层石墨烯、导电炭黑、分散剂于混料机中，在100℃下混合均匀；(2)向步骤(1)获得的混合物中加入第二pps基体树脂，继续搅拌均匀，得到预处理混合物；(3)将步骤(2)获得的预处理混合物通过高分散双螺杆挤出机挤出，经过拉条、水冷、切粒制作获得初步电加热功能助剂母粒；(4)对初步电加热功能助剂母粒进行干燥备用；(5)将初步电加热功能助剂母粒和第一pps基体树脂在混料机中混合均匀，得到二次处理混合物；(6)将二次处理混合物加入到长纤维增强材料专用挤出装置中，挤出熔融至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，同时，放置在连续纤维架上的连续长纤维拉伸引入至长纤维增强材料专用挤出装置的模头中，同熔融的二次处理混合物充分浸润，并从模头出口引出；(7)最后经过拉条、冷却、切粒，制成可温控电加热长玻纤增强材料。8.根据权利要求7所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述少层石墨烯分为两部分加入，其中：上述步骤(1)中加入一半量的少层石墨烯，上述步骤(3)获得初步电加热功能助剂母粒后，再加入另外一半量的少层石墨烯，经过混合，再次通过高分散双螺杆挤出机挤出，经过拉条、水冷、切粒制作，最终获得电加热功能助剂母粒，然后如上述步骤(4)～(7)依次对电加热功能助剂母粒进行依次处理。9.根据权利要求8所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料，其特征在于：所述步骤(1)中的混料时间为6～10min、步骤(3)中的挤出机转速300
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500rpm、所述步骤(6)中的挤出装置温度设定290
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330℃，模头温度设定330℃。10.如权利要求1所述的一种可温控电加热长玻纤增强材料的应用，其特征在于：所述
的可温控电加热长玻纤增强材料应用于电煎锅领域。
技术总结
本发明公开了一种可温控电加热长玻纤增强材料，所述可温控电加热长玻纤增强材料由以下成分按重量百分比组成，第一PPS基体树脂0～45％、电加热功能母粒30～65％、长玻纤20～50％；所述电加热功能母粒包括以下成分按重量百分比组成，第二PPS基体树脂65～75％、分散剂1～3％、少层石墨烯10～18％、导电炭黑10～18％，所述第一PPS基体树脂和第二PPS基体树脂的熔体流动指数不同；本发明公开了一种可温控电加热长玻纤增强材料的制备方法，包括预处理、母粒制备、母粒干燥、二次处理混合物、模头熔融和引出、拉条、冷却和切粒步骤；同时，本发明还公开了可温控电加热长玻纤增强材料应用于电煎锅领域；通过上述方式，本发明提供的产品材料具有可温控、可电加热、综合性能优异、性价比高的技术优势。价比高的技术优势。


技术研发人员：贾永鹏 刘卫伟 宋彦宝 丁玲玲
受保护的技术使用者：安特普工程塑料(苏州)有限公司
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/6/29