[發明專利]一種連續化制備聚合物基導電復合材料的方法和裝置

有效

• 申請號: 202110488165.8
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113414924B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 吳大鳴;付紅波;許紅;劉穎;蓋子鵬;黃堯;孫靖堯;高小龍
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B29C43/24
• 分類號: B29C43/24;B29C43/58;G06F17/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種連續化制備聚合物基導電復合材料的方法和裝置，在軟輥上施加一定的壓力使得柔性軟輥發生一定范圍內的彈性形變，并通過傳動機構帶動柔性軟輥對聚合物基體和導電填料為原料的共混物進行連續地“面對面”三維空間強制滾壓壓縮成型。本發明提供的連續化制備導電復合材料的方法和裝置，可通過柔性軟輥的排布和行程的控制設置可實現導電復合材料連續化大面積的制備。本發明制備得到的聚合物基導電復合材料表面電阻顯著降低并兼備柔性和可連續化大面積成型的特點。相比較于傳統方法，本發明具有可連續化成型、生產成本低、工藝簡單、成型效率高等特點。

技術領域

本文發明涉及復合材料制備技術領域，具體是指一種連續化制備聚合物基導電復合材料的方法和裝置，屬于復合材料加工工藝領域。

背景技術

聚合物基導電復合材料在航空航天、可穿戴設備、電磁屏蔽、超級電容或電池電極等領域都得到廣泛地應用。對于聚合物基導電復合材料而言，添加的導電填料在聚合物基體中所形成的導電網絡的均勻性和密實化程度直接影響了聚合物基導電復合材料的功能性和應用領域。

傳統工藝制備聚合物基導電復合材料時，是采用強制機械壓縮方法將在“二維平面”內導電填料分散到聚合物基中，只有當單位體積內導電填料含量超過材料的導電逾滲閥值時才能形成導電網絡得到導電復合材料；但當導電填料含量達到一定份數后，導電填料就很難再有效地通過強制機械壓縮的方式均勻地分散到聚合物基體中，從而形成填料之間分散間距的不可控，導致形成的導電網絡分布不均勻，最終導致制備的導電聚合物會常出現局部機械性能差、表面電阻不均勻性等缺陷。同時，這種通過機械壓縮的方法很難實現聚合物基導電復合材料膜大面積連續化的制備。同時，因為傳統加工方法是基于平面限域組裝的局限時，不能單純通過增加導電填料的含量來制備出與含量成線性關系的高電導率的導電復合材料，此外，導電填料含量的增加直接影響共混物的粘度，導致其制備過程的不可控性。通過增加填料含量提高聚合物基導電復合材料的電導率的方式，會導致聚合物導電復合材料成膜工藝困難，嚴重地限制了制備的聚合物基導電復合材料的推廣和應用。

本發明基于“三維空間限域強制組裝”的原理是將傳統滾壓裝置中的剛性滾壓輥換成具有一定柔韌性的柔性軟輥的方式進行滾壓成型，把傳統剛性滾壓輥滾壓和剛性平面之間的“線對面”的滾壓方式轉換為軟輥滾壓和剛性平面之間的“面對面”的滾壓壓縮成型的方式，通過可控的柔性軟輥上施加的下壓壓力和軟輥移動的速度來控制軟輥局部變形所形成的滾壓面積和滾壓過程的保壓時間。通過“面對面”的滾壓方式使得聚合物基體和導電填料的共混物能在“三維空間方向”上能均勻地流動形成密實且均勻的導電網絡得到聚合物基導電復合材料，并結合滾壓成型連續化生產的特點。以此克服傳統加工方法難以通過壓縮提高電導率的同時實現導電復合材料的大面積連續化生產困難的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種連續化制備聚合物基導電復合材料的連續制備的方法和裝置，本發明通過選擇具有一定彈性模量的柔性軟輥代替剛性滾壓輥進行滾壓成型。通過對具有一定柔韌性的軟輥施加一定的垂直壓力和移動速度后，可以對滾壓過程中的滾壓面上的滾壓壓力、滾壓面積和保壓時間進行定量的分析，以此作為實現方法的理論依據。

本發明基于彈性力學理論對柔性軟輥和剛性平面接觸的接觸面上的壓力分布進行受力分析，確定了柔性軟輥和剛性平面的接觸區域的三維空間壓力分布：

(1)式中P為垂直方向施加到柔性軟輥的中心軸上的壓力，kgf；為沿著接觸區域內沿水平Y軸方向每單位長度的壓力，gf；p(y)則沿水平Y軸方向的各點的壓力；a為軟輥接觸區橢圓長邊長度，mm；b為接觸區橢圓短邊長度，mm；

柔性軟輥和剛性平面的接觸過程中在垂直方向z方向變形量分別為和0，其中D為柔性軟輥的直徑，mm。由公式(1)受力分析可知通過控制P控制柔性軟輥受壓區域的力分布。

本發明基于彈性理論，在柔性軟輥和剛性表面的接觸區矩形長邊的長度為a的情況下，對柔性軟輥受力壓縮后的接觸區面積和接觸區的短邊長度的理論值進行分析，得到接觸面積的理論值：