[发明专利]一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法

说明书

 

技术领域

本发明属于聚合物基导电复合材料的制备技术领域，具体来讲是一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法。

背景技术

聚合物基导电复合材料是在聚合物基体中加入导电填料，采用化学或者物理加工方法复合后而得到的多相复合材料。与传统的导电金属材料相比，聚合物基导电复合材料成本低、稳定性高、易于加工成型，且电学性能在较大范围内可调，在抗静电、电磁波屏蔽、燃料电池双极板、传感器、导电涂料等领域有着广泛的应用。其主要的导电机理在于导电填料加到聚合物中，具有带电粒子的导电填料相互接触形成链状导电网络，电子在网络中传输而赋予聚合物导电性。经研究发现，随着导电填料体积含量的增加，在初期导电材料的导电率缓慢增加，只有当导电填料的用量达到某一临界值,复合材料的导电率发生了数量级的突变，这一临界值被称为导电逾渗阀值。逾渗现象的出现也意味着在导电材料在复合材料内部形成了相应的导电网络，从而赋予聚合物以导电性。低逾渗阀值往往是聚合物基导电复合材料的研究目标之一，因为低逾渗阀值意味着能在较低填料含量下使聚合物材料从绝缘材料转变为抗静电或者导电材料，这不仅可以有效的降低填料添加量以及填料成本，同时还可以避免由于大量填料加入后粘度上升导致的加工性能的变差，以及大量填料在基体中不宜分散所造成的力学性能损耗等。

制备低导电逾渗阀值聚合物基导电复合材料不仅与填料的种类、几何形状、长径比、尺寸等有关，填料在基体中的分散更起到了关键的作用。通常，人们通过对导电填料进行改性，提高了其与聚合物基体的相互作用，从而有效的促进填料在基体中的分散，例如Liu等人在Appl Phys Lett 2003，83：2928的报道中利用聚合物接枝改性碳纳米管，增强了碳纳米管与聚合物的相互作用，使碳纳米管在基体中均匀分散，从而获得了极低的导电逾渗值。但这种方法通常涉及大量的化学反应，在其表面引入较多缺陷，对碳纳米管的结构造成严重破坏，导致碳纳米管本身电性能和机械强度的恶化，且不利于工业上大规模生产；其次人们在对聚合物共混物的研究中发现，当共混物形态呈现双连续结构时，控制导电填料在共混物只在其中一相的选择性分布，从而产生双逾渗现象，此时体系的导电阀值大大降低。该方法操作简单，适合工业化生产。但导电逾渗阀值的大小则与填料在其中一相的分散情况有关，同时填料在一相的聚集会导致加工过程熔体强度的改变，进而影响加工性能以及共混物的形态，应用受到局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备低导电逾渗值的聚合物基导电复合材料的方法，该方法的导电填料用量低，制备的导电复合材料导电性能好。

本发明是这样实现的，一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：其步骤是：

1）原料的选择：

a、选取碳纳米管、石墨或者炭黑作为导电填料；

b、选择两种聚合物作为聚合物基体材料，其中所选聚合物一和聚合物二是化学性质不相容的聚合物；

c、选择能有效分布在聚合物一和聚合物二的界面的两相增容聚合物；

2）导电填料的处理：对碳纳米管、石墨进行煅烧或酸化处理；

3）熔融共混：将处理后的导电填料先与增容聚合物熔融共混，冷却固化后制得母料，再将所制得的母料与聚合物一和聚合物二按一定质量比例为1-5：45-60：40-55熔融共混，冷却固化后即得聚合物基导电复合材料。

根据本发明所述的熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：所述的碳纳米管的直径为0.5-200 nm，长度为100nm-50 μm的单壁或多壁管。

根据本发明所述的熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：所述的石墨为直径500 nm-1μm，长度3μm-30μm的多片层或单片层石墨。

根据本发明所述的熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：所述的炭黑的直径为35-100nm，比表面积1000-2000 m²/g 的粒状填料。

根据本发明所述的熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：所述的将导电填料碳纳米管或石墨煅烧的具体参数为温度600-1000 ℃，时间1-6 h。

根据本发明所述的熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其特征在于：所述的将导电填料碳纳米管或石墨酸化处理的为：利用硫酸、硝酸或磷酸进行处理，温度为60-80 ℃，时间为4-24 h，反应结束后抽滤干燥，干燥时间为6-24 h。