[0001] 本发明涉及一种纳米炭黑的制造方法，属于聚烯烃改性技术领域。

[0002] 聚烯烃是目前应用范围最广、产量最大的一类高分子材料，我国聚烯烃每年二千多万吨市场一半依赖进口，直接产品产值数千亿元和间接产品产值数万亿元。我国每年进口聚烯烃产品需花费数百亿美元外汇，其中主要为高性能聚烯烃专用料， 如目前我国承压煤气管和水管市场急需（需求量超过100万吨以上）的高等级PE100级聚乙烯管材料仍完全依赖进口，即使在通用聚烯烃产品领域我国也面临来自中东超低成本产品的严峻挑战，为了打破国外在高性能聚烯烃领域的技术垄断和技术封锁，开发“高性能聚烯烃技术”是我国聚烯烃工业发展的唯一出路。

[0003] 但由于聚乙烯合成和加工过程中本体内残留微量过渡金属和引发剂残基（含有少量羰基、过氧化氢基团等），能强烈吸收紫外光，引起聚乙烯光氧降解反应，从而损害聚乙烯的强度和韧性。目前主要通过加入光稳定剂（紫外线吸收剂、猝灭剂、自由基捕获剂及光屏蔽剂）抑制或减缓聚乙烯的光氧化降解，保护高分子材料免受紫外线破坏，从而提高高分子材料的使用寿命。而这些光稳定剂多为有机化合物，其容易分解，副作用较大。随着纳米技术的发展，纳米ZnO、纳米TiO2、纳米炭黑等无机纳米光稳定剂，因其较高的化学和热稳定性引起了国内外学者广泛的关注。而且随着复合材料向纳米层次推进以及众多传统微米级刚性粒子的纳米化，以高分子为基体、无机纳米粒子为分散相的协同增韧增强技术明显提高了复合材料的力学性能，成为当前聚烯烃高性能化研究的热点之一。

[0004] 本发明的目的在于提供一种纳米炭黑的制造方法，制得的纳米炭黑具有较好的分散性和相容性，填充到聚乙烯基体中可以得到高性能聚乙烯产品。

[0005] 本发明所述的纳米炭黑的制造方法，其特征在于在机械剪切力场作用下将纳米炭黑（可直接购买）和能降解产生活性自由基的聚乙烯混合，在能产生活性自由基的聚乙烯的熔点以上的温度下，直接进行接枝反应后制得。

[0006] 其中：纳米炭黑与能降解产生活性自由基的聚乙烯的质量比为900～1:10。

[0007] 纳米炭黑与能降解产生活性自由基的聚乙烯的反应条件为：温度：150～300℃；反应时间：20～50min；机械剪切力场所用搅拌设备的转子转速：50～150rpm。

[0008] 纳米炭黑需要在110～130℃下真空干燥10～14h处理，能降解产生活性自由基的聚乙烯需要在60～90℃下真空干燥2～6h处理效果更好。

[0009] 能降解产生活性自由基的聚乙烯有线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、任意两种或多种聚乙烯的任意比例混合料。

[0010] 反应中，形成机械剪切力场使用的搅拌设备有哈克流变仪、磨盘机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机、锥形螺杆挤出机、连续混炼机、密炼机、Z形捏合机或其它任何一种市售的能产生机械剪切力作用的混合设备等。

[0011] 采用传统的密炼方法制备接枝纳米炭黑聚乙烯复合材料，具体操作如下：将包含0.01～100 wt%纳米炭黑的接枝纳米炭黑与基体聚乙烯混合物置于HAAKE转矩流变仪中反应。温度范围：120～350℃；反应时间：10～60min；转子转速：30～150rpm。

[0012] 在热机械作用下，纳米炭黑从团聚体状态分散成聚集态或原生粒子，聚乙烯降解产生大分子自由基，产生的聚合物自由基被纳米炭黑表面捕获，从而得到聚合物原位接枝的纳米炭黑，使其在聚乙烯基体中的分散性和相容性得以改善，并改善含有纳米炭黑的各种聚乙烯复合材料的力学性能、电气性能、光学性能等，从而可以在改善聚乙烯抗紫外性能的同时，不损害甚至提高其物理机械性能。

[0013] 本发明具有以下有益效果：本发明在能产生强大剪切力的混合设备中，对能断裂成活性自由基的聚乙烯与具有活性自由基的纳米炭黑共混并进行原位接枝，从而得到聚乙烯原位接枝纳米炭黑。制得的纳米炭黑具有较好的分散性和相容性，填充到聚乙烯基体中可以得到高性能聚乙烯产品。制得的接枝纳米炭黑应用于生产高性能聚乙烯复合材料如高等级聚乙烯管材等。

[0014] 实施例1使用聚乙烯的接枝纳米炭黑：纳米炭黑160g，高密度聚乙烯SC-3 32g。

[0015] 将纳米炭黑与聚乙烯在HAAKE转矩流变仪中于150℃下共混，螺杆转速为100rpm，共混时间为25min，在此条件下制得聚乙烯SC-3原位接枝纳米炭黑。

[0016] 为了对接枝纳米炭黑进行表征，需要将体系中未反应的聚乙烯除掉，纯接枝纳米炭黑采用下面方法得到：上述所得的纳米炭黑与聚乙烯的反应物溶于二甲苯中，于130～140℃下至少搅拌回流72小时后，将分散液置于高速离心机中（北京医用离心机厂）沉降20分钟后，倾倒上层溶液，将沉降的纳米炭黑再次分散于二甲苯中，再进行离心分离直至在上层溶液中检测不出聚乙烯。

[0017]分别取未接枝纳米炭黑和接枝纳米炭黑1份放入烧杯中，加入100份二甲苯，置于超声波清洗器（上海之信仪器公司）中，超声分散20min，控制温度为130~140℃，制得纳米炭黑分散液。将分散液滴于铜网上，真空干燥24h，置于透射电子显微镜上观察。未接枝的场合，纳米炭黑以团聚体形式存在，反之，经过接枝改性，纳米炭黑以100nm左右的聚集体形式或原生粒子形式存在，实现了本发明的目的。

[0018] 实施例2使用聚乙烯的接枝纳米炭黑：纳米炭黑 160g，高密度聚乙烯管材料DBGB2480H 32g。

[0019] 将纳米炭黑与聚乙烯在HAAKE转矩流变仪中于150℃下共混，螺杆转速为100rpm，共混时间为20min，在此条件下制得聚乙烯DBGB2480H原位接枝纳米炭黑。

[0020] 为了对接枝纳米炭黑进行表征，需要将体系中未反应的聚乙烯除掉，纯接枝纳米炭黑采用下面方法得到：上述所得的纳米炭黑与聚乙烯的反应物溶于二甲苯中，于130～140 ℃下至少搅拌回流72小时后，将分散液置于高速离心机中（北京医用离心机厂）沉降20分钟后，倾倒上层溶液，将沉降的纳米炭黑再次分散于二甲苯中，再进行离心分离直至在上层溶液中检测不出聚乙烯。

[0021] 分别取未接枝纳米炭黑和接枝纳米炭黑1份放入烧杯中，加入100份二甲苯，置于超声波清洗器（上海之信仪器公司）中，超声分散20min，控制温度为130～140℃，制得纳米炭黑分散液。将分散液滴于铜网上，真空干燥24h，置于透射电子显微镜上观察，可以看出未接枝的场合，纳米炭黑以团聚体形式存在，反之，经过接枝改性，纳米炭黑以100nm左右的聚集体形式或原生粒子形式存在，实现了本发明的目的。

[0022] 实施例3使用聚乙烯的接枝纳米炭黑：纳米炭黑 160g，线性低密度聚乙烯7042 32g。

[0023] 将纳米炭黑与聚乙烯在HAAKE转矩流变仪中于150℃下共混，螺杆转速为100rpm，共混时间为20min，在此条件下制得聚乙烯7042原位接枝纳米炭黑。

[0024] 为了对接枝纳米炭黑进行表征，需要将体系中未反应的聚乙烯除掉，纯接枝纳米炭黑采用下面方法得到：上述所得的纳米炭黑与聚乙烯的反应物溶于二甲苯中，于130～140℃下至少搅拌回流72小时后，将分散液置于高速离心机中（北京医用离心机厂）沉降20分钟后，倾倒上层溶液，将沉降的纳米炭黑再次分散于二甲苯中，再进行离心分离直至在上层溶液中检测不出聚乙烯。

[0025] 分别取未接枝纳米炭黑和接枝纳米炭黑1份放入烧杯中，加入100份二甲苯，置于超声波清洗器（上海之信仪器公司）中，超声分散20min，控制温度为130～140℃，制得纳米炭黑分散液。将分散液滴于铜网上，真空干燥24h，置于透射电子显微镜上观察，可以看出未接枝的场合，纳米炭黑以团聚体形式存在，反之，经过接枝改性，纳米炭黑以100nm左右的聚集体形式或原生粒子形式存在，实现了本发明的目的。

[0026] 实施例4取实施例1中的SC-3接枝纳米炭黑，采用传统的密炼方法制备接枝纳米炭黑聚乙烯复合材料，具体操作如下：将包含1, 2.5, 5, 10 wt%纳米炭黑的聚乙烯与接枝纳米炭黑混合物置于HAAKE转矩流变仪中，于180℃下反应20min。转子转速60rpm。

[0027] 降解聚乙烯SC-3原位接枝纳米炭黑对聚乙烯管材料DBGB2480H的抗紫外性能具有明显的改善作用，同时如表1和表2所示其强度和韧性也有所提高。

[0028] 表1、 SC-3接枝纳米炭黑／料DBGB2480H复合材料的强度性能（1.0 wt%）   CB/DBGB2480H SC-3-CB/DBGB2480H
拉伸强度，MPa 30.3 36.4
冲击强度，kJ/m2 12.8 14.6
表2、 SC-3接枝纳米炭黑／DBGB2480H复合材料的断裂伸长率
CB wt% CB/DBGB2480H SC-3-CB/DBGB2480H
1.0 852 980
5.0 597 876
10.0 500 641
15.0 457 529