[發明專利]具正電阻溫度系數的高分子基石墨烯復合材料及制備方法

無效

• 申請號: 201210009127.0
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102532669A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 李華;劉河洲;見雪珍;陶文燕;王珮
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C08L23/06
• 分類號: C08L23/06;C08L23/12;C08L27/16;C08K3/04;C08K7/00;C08K7/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發明涉及一種高分子基復合材料及其制備方法，尤其是涉及一種具正電阻溫度系數的高分子基石墨烯復合材料及制備方法。

背景技術

正電阻溫度系數(PTC)材料是一類具有正溫度系數的熱敏材料。其電阻率與溫度具有高相關度，在較窄的溫度范圍內，材料的電阻率會隨著溫度的上升急劇增加1～8個數量級。導電性發生劇變的溫度閾值被稱為居里溫度Tc。即對PTC材料，在Tc以下材料表現為半導體特性，而在Tc以上材料表現出絕緣體特性。利用該特性，PTC材料可被用于自控溫加熱電纜、過電流保護元件及溫敏傳感器等。

早期開發應用的PTC材料大多是以氧化物為基質，經摻雜燒結而成的陶瓷器件，其韌性較差、室溫電阻率高、加工成型困難、制造成本高，而在應用方面受到了諸多限制。而以高分子聚合物為基體的PTC材料由于力學性能優良、性能可調性高、加工成型方便、價廉、來源豐富，正逐漸成為PTC材料中應用最為廣泛的部分。

高分子基PTC材料是一類典型的復合材料，其主要由絕緣的有機高分子聚合物材料基體與導電功能填料復合而成，其中高分子材料基體主要起骨架和填料載體的作用，提供材料的力學性能，但高分子材料基體一般都是絕緣體；填料是導電成分，在絕緣的基體中形成連通的導電網絡作為電流載體。高分子基PTC材料中常用的導電填料主要有碳材料、氧化物、金屬等幾類。金屬填料易熱氧化導致導電性下降，且往往對高分子基體老化起催化作用。氧化物類導電填料價格昂貴，實際應用也受到了很大限制。在常規碳材料填料中，碳纖維的在高分子材料中分散性和復合材料性能均勻性不佳，以石墨粉體作為填料的復合材料的加工性能較差，應用最多的為碳黑填料(一般為導電碳黑)，其電學性能、化學性能、加工性能及價格等多方面綜合性能較為理想。實際上，目前市售產品大多以導電碳黑為主要填料。

碳納米材料保持了碳材料的導電性，同時具有納米材料獨特的表面界面效應、小尺寸效應和量子效應，在高分子基復合材料中應用廣泛【張立德，納米材料，化學工業出版社，2011.11，ISBN?7-5025-3013-4】。作為結構性增強體或者功能性填料，少量碳納米管、碳納米纖維等的添加即可有效增加復合材料的力學性能、電導率、熱導率和電池波吸收性能【W.Bauhofer等，A?review?and?analysis?of?electrical?percolation?in?carbon?nanotube?polymer?composites，Composites?Science?and?Technology，2009(69)：1486～1498】。

中國專利200910129973.4提出了一種以碳納米管為主要導電填料，以硅橡膠為基體的復合材料，其既具有負電阻溫度特性(NTC)，也具有PTC特性。該材料在20～110℃范圍內呈NTC效應，即隨溫度升高電阻下降，該專利認為該碳納米管復合材料可能適合可應用于某些特殊電路中。但對耐溫等級與Tc均較低的大部分民用和工業用途的自控溫加熱電纜、電熱帶(中溫帶的耐溫等級一般為大約105℃，而Tc一般不高于90℃；低溫帶的耐溫等級更只有60℃，Tc一般不高于50℃)，該材料則不太適用。由于電阻對溫度變量非單值函數，其也無法應用于溫度傳感器中。

中國專利200510047997.7針對高溫應用場合，提出了一種由纖維或管狀的納米碳導電功能體和高熔點結晶聚合物組成的熱敏電阻聚合物復合材料，其基體為聚甲醛、尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯等。該復合材料采用熔融共混、熱壓工藝成型，不經輻照處理。輻照處理的作用是增加高分子基PTC材料的性能穩定性，若不經輻照處理，加工殘余應力在熱過程中將被釋放，分子鏈發生重排，會破壞導電相形成的導電網絡，導電相緩慢移動形成團聚體體，致使電阻率急劇上升。

中國專利CN200410020607.2提出了一種以碳納米管或者納米碳纖維為導電填料的高密度聚乙烯(HDPE)復合材料。該材料通過溶液共混途徑制備，HDPE需事先完全溶解于大量二甲苯中，再加入碳納米管的乙醇分散液中，攪拌一晝夜后，再用乙醇進行多次洗滌、過濾、干燥處理，然后經模壓成型和輻照處理。該溶液共混的工藝路徑耗費大量溶劑，耗時長，生產效率較低。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種含石墨烯的正電阻溫度系數復合材料及制備方法。該復合材料及制備方法具有導電填料用量低、電阻率穩定、制備工藝簡單導電填料易分散、對基體材料性能的影響小等使用性能和加工性能優勢。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：