[發明專利]一種熔融共混制備聚合物基導電復合材料的方法

有效

• 申請號: 201210179766.1
• 申請日: 2012-06-04
• 公開（公告）號: CN102675893A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 王勇;石云云;楊靜暉;黃婷;張楠
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C08L101/00
• 分類號: C08L101/00;C08L67/04;C08L23/08;C08L77/02;C08L23/06;C08L69/00;C08L55/02;H01B1/24;C08K9/00;C08K9/02;C08K7/00;C08K3/04;C08J3/22
• 代理公司: 成都博通專利事務所 51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明屬于聚合物基導電復合材料的制備技術領域。

背景技術

聚合物基導電復合材料是指在本征不導電的聚合物基體中添加碳黑、碳纖維、碳管、石墨、金屬粉末等導電物質(導電填料)而制備的具有導電性的復合材料。此類導電聚合物成本低、穩定性高、易于加工成型，且電學性能在較大范圍內可調，在抗靜電、電磁波屏蔽、燃料電池雙極板、傳感器、導電涂料等領域有著廣泛的應用。其導電機理是，當導電填料含量超過一定臨界值(即導電逾滲值)，導電填料在聚合物中形成連續的網絡，電子在網絡中傳輸而使聚合物具備導電性。增加導電填料能夠保證其導電性，但添加量過大會提高聚合物的粘度，使其加工性變差，還會損壞體系的其他性能，如力學性能。制備導電復合材料的關鍵問題是在提高材料導電性能的同時，盡可能降低導電填料的用量即獲得較低的導電逾滲值，使材料的電性能和其他性能得到優化結合。

導電填料種類、性質、分散方式及其與聚合物基體的相互作用直接決定了導電網絡的形成，進而影響材料導電性能以及導電逾滲值。在眾多導電填料中，管狀的碳納米管具有極高的長徑比，片狀的石墨具有極高的徑厚比。相比于其他導電填料二者能夠在較低含量下，在基體中均勻分散形成連續的三維立體網絡結構；其導電閥值較低。因此，目前更多的是利用碳納米管、石墨來制備低導電逾滲值的復合材料。其制備方法，主要有以下二種方法：

一、通過對填料進行表面改性以改善其在基體中的分散，例如Liu等人在Appl?Phys?Lett?2003，83：2928的報道中利用聚合物接枝改性碳納米管，增強了碳納米管與聚合物的相互作用，使碳納米管在基體中均勻分散，從而獲得了更低的導電逾滲值。但這種方法通常涉及大量的化學反應，操作復雜，不利于工業上大規模生產；且會在碳納米管表面引入較多缺陷，對碳納米管的結構造成嚴重破壞，導致碳納米管本身電性能和機械強度的惡化。

二、通過將導電填料直接分散在呈雙連續結構時的不相容的兩相聚合物中的與導電填料親和性較強的一相中，當導電填料在該相中也呈網絡結構時，會產生“雙逾滲效應”，體系的導電閥值大大降低。該方法操作簡單，適合工業化生產。但導電逾滲閥值的大小則與填料在其中一相的分散情況有關，同時填料在一相的聚集會導致加工過程熔體強度的改變，進而影響加工性能以及共混物的形態，其應用受到局限。

發明內容

本發明的目的是提供一種熔融共混制備聚合物基導電復合材料的方法，該方法的導電填料用量低，制備的導電復合材料導電性能好，力學性能強。

本發明實現其發明目的所采用的技術方案是，一種熔融共混制備聚合物基導電復合材料的方法，其步驟是：

1)原料的選擇：先選取碳納米管或石墨作為導電填料，再選擇聚合物一和聚合物二：其中聚合物一的粘度(η_聚合物一)與聚合物二的粘度(η_聚合物二)之比大于等于100，即η_聚合物一/η_聚合物二≥100；或者聚合物一與導電填料親和性低、聚合物二與導電填料親和性高，導電填料與聚合物一及聚合物二構成的共混體系的理論浸潤系數ω_a＞1，其中γ代表兩相之間的界面張力，且聚合物一和聚合物二是化學性質不相容的聚合物；

2)導電填料的預處理：將碳納米管或石墨進行煅燒或酸化處理；

3)熔融共混：將預處理后的導電填料先與聚合物一熔融共混，冷卻固化后制得母料，再將母料與聚合物二熔融共混，冷卻固化后即得聚合物基導電復合材料。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

一、本發明先將導電填料與粘度較高的聚合物一熔融共混形成母料，再將母料與粘度較低的聚合物二熔融共混，在這一熔融過程中，由于聚合物一的粘度遠大于聚合物二的粘度，聚合物一中的導電填料會從聚合物一向聚合物二遷移，在導電填料大量遷移在兩相界面處時，進行冷卻固化即可得到導電填料主要在界面分布的聚合物基導電復合材料。對于粘度比小于100倍的兩個聚合物，則先將導電填料同與其親和性差的聚合物一熔融共混形成母料，再將母料同與導電填料親和性高的聚合物二熔融共混；在這一熔融共混過程中，聚合物一中的導電填料則會向與其親和性更高的聚合物二遷移，在導電填料大量遷移在兩相界面處時，冷卻固化也可得到導電填料主要在界面分布的聚合物基導電復合材料。由于導電填料主要分布在兩相交界的二維界面上，較之均勻分布在兩相中或一相中，能以極少的導電填料形成連通的導電網絡。導電填料的導電逾滲值低，利用率高，復合材料的導電性能好。