[发明专利]导电和电耗散的聚氨酯泡沫

说明书

背景技术

本发明涉及导电且电耗散的聚氨酯泡沫以及制备这些导电且电耗散的聚氨酯泡沫的方法。

与许多其他聚合物类似，聚氨酯泡沫是良好的电绝缘体。尽管在一些应用中这是有利的，但存在一些情况，在这些情况下导电性或电荷耗散可能是有利的。一个这样的领域是敏感电子元件的包装泡沫，其中静电荷的累积可引起放电并导致对所述元件的损害。另一个领域可能是安全泡沫，其中如果被刺破，泡沫可保护燃料罐免于燃烧或爆炸。

出于此原因，已经开发出多个方法以降低聚氨酯软质泡沫的电阻率。最常用的方法包括(1)加入能降低泡沫电阻率的组分，(2)用能降低电阻率的组分涂布泡沫，和(3)通过溶胀对泡沫进行后处理，以将能降低电阻率的组分纳入到孔结构内。

美国专利5,096,934记载了抗静电的聚氨酯泡沫，其表面电阻率小于1x10¹²欧姆/平方，且静电衰减时间约2秒或更少。这些聚氨酯泡沫由异硫氰酸酯封端的预聚物和羟基官能度为3-8的第二多元醇制备，所述预聚物包括多异硫氰酸酯(优选TDI或MDI)与含有氧基亚乙基(oxyethylene)的多元醇的反应产物，所述含有氧基亚乙基的多元醇的羟基官能度至少为2且含有至少40％的氧基亚乙基。然而，该方法依赖于固有抗静电聚合物，在可达到的电阻率降低水平方面受限制。工作实施例指出表面电阻率在10⁹至10¹¹欧姆/平方的范围内的多种泡沫，但没有教导如何用该方法来更显著地降低电阻率。

克服此限制的一个方法是在发泡前向聚氨酯组分中加入导电的添加剂，例如炭黑、碳纤维、金属和/或金属可电离盐(例如硫氰酸钠)。这样，多孔型和非多孔型聚氨酯橡胶的表面电阻率可以低至10⁴欧姆/平方。然而，如美国专利7,504,052，第1栏，第42-63行所公开，达到该水平的表面电阻率所需的高水平添加剂通常导致非常高粘度的反应组分，其使得操作困难。并且，当承受机械应力时，充满碳纤维的体系迅速失去导电性，这可能是由于碳纤维的断裂。

美国专利7,504,052公开了含有特定比例和水平的导电性炭黑和碳纤维的聚氨酯以得到抗静电泡沫。已经报道这些体系具有足够低的粘度，可用常规聚氨酯加工设备加工。然而，当试图使用低水平(即约1重量％，基于泡沫的重量计)多壁碳纳米管代替炭黑时，其对比实施例显示，极难(如果不是不可能的话)加工多元醇组分的混合物，该混合物含有多壁碳纳米管和异氰酸酯。参见实施例4、5和9。

为了克服向泡沫组分中加入导电材料所带来的上述困难中的一些，已开发出多种代替方法，包括用粘合剂将导电颗粒固定至表面或后处理泡沫，从而引入导电物质。参见例如美国专利5,096,934，第2栏，第3-47行。遗憾的是，这些方法都没有被广泛地接受和/或商业化，这是因为(i)通过用抗静电添加剂浸渍泡沫来后处理泡沫需要额外的处理，因此增加了成本，(ii)用炭黑涂布泡沫引起污染问题，这是因为添加剂在使用中脱落，(iii)用抗静电添加剂例如季铵盐涂布泡沫也由于添加剂脱落而引起污染问题，并且不产生永久的抗静电特性。

自从Iijima,Nature,354,pp.56-58(1991)在1991年发现了碳纳米管，已进行了涉及这些材料的合成、化学过程和处理的大量研究。碳纳米管，其有时也被称为碳原纤，是具有富勒烯帽子的石墨片的无缝管，并且作为多壁碳纳米管的多层同心管被首次发现，随后作为单壁碳纳米管发现。碳纳米管沿着其长度导电、化学稳定、并且可单独地具有非常小的直径(远小于100纳米)和高长径比(长度/直径)。最近，本领域将碳纳米管与不同材料如聚氨酯结合，试图改变聚氨酯的表面电阻率和/或抗静电特性。

美国专利7,645,497和7,645,400描述了包含纳米管和聚氨酯的组合物。这些组合物可以是如’497专利中描述的多层材料；或如‘400专利中通过用包含聚氨酯的碳纳米管组合物涂布而形成的涂膜。所述’497专利中的多层材料在所述层之一中需要特殊材料例如聚噻吩。在所述‘400专利中，导电膜由包含CNT和导电聚合物或CNT和杂环化合物三聚物的分散体制备，如第四栏，第27行至第22栏，第15行所述。这些参考文献似乎将其中的不同组合物描述为“导电的”。