一種導電高分子材料及其製備方法
2023-07-31 17:32:26
專利名稱：一種導電高分子材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及導電高分子複合材料領域，具體地說涉及一種含有低含量導電填料的導電高分子材料及其製備方法。
背景技術：
導電高分子複合材料是把導電物質添加到高分子材料中而形成的多相複合材料。通過分散複合、層壓複合以及形成表面導電膜等方式構成的一種功能高分子材料。表徵導電高分子複合材料的一個重要的參數就是滲濾閾值。在聚合物基體中加入導電填料製備導電複合材料時，複合材料的電導率在一定導電填料濃度範圍內的變化是不連續的，當填料含量的增加，電阻率緩慢下降，當填料含量達到某一臨界值時，複合體系的體積電阻率突然急劇減小，填料含量的微小增加就會導致電阻率發生突變，即導電填料粒子可以相互接觸或足夠接近，通過隧道效應或電子躍遷形成連續的導電通路或導電網絡，此時導電填料的臨界體積分數被稱為滲濾閾值。聚合物的熔融指數又稱為熔體流動速率，其定義為在規定條件下，聚合物熔體10min通過標準口模毛細管的質量，用MFR表示，單位為g/10min。熔體流動速率可表徵熱塑性塑料在熔融狀態下的粘流特性，對保證熱塑性塑料及其製品的質量，對調整生產工藝，都有重要的指導意義。
導電物質包括金屬纖維、碳黑、碳納米管等。例如名稱為「導電複合材料」的中國專利200510055197.X公開了通過用一種金屬纖維和另外一種低熔點的金屬作為複合導電填料加入到一種熱塑性樹脂裡來製備一種導電複合材料的方法。該方法不足之處在於作為導電填料的金屬容易被氧化，經過一段時間後會使導電材料的導電性能不穩定。
無機導電填料性能較為穩定，如碳黑和金屬氧化物等。對於導電複合材料來說，滲濾閾值大，意味著要加入更多的導電填料，這可能使得增加體系的熔體粘度，加工性能變差，降低材料的衝擊強度，力學性能受影響。例如，高滲濾閾值的導電複合材料作為PTC材料使用時會出現NTC現象，並且，高滲濾閾值的PTC材料在生產時會對機器造成相當大的磨損，從而影響其加工性能。以單一聚合物為基體的複合體系，通常要填充15％～20％質量份數的碳黑。例如名稱為「聚烯烴/碳黑PTC導電複合材料及其製備方法」的中國專利03135951.5公開了通過用一種聚烯烴和碳黑按一定比例製備導電複合材料的方法。這種方法不足之處在於使用的碳黑含量超過了20％的質量分數，其複合材料體系的滲濾閾值比較大，而且還需要對複合材料體系進行微波輻射。碳黑如此高的填充會帶來一些不利的影響，如增加體系的熔體粘度，加工性能變差；降低材料的衝擊強度；碳黑粒子易脫落，造成潔淨室的汙染等。對體系進行微波輻射，使得製備工藝增加，材料的成本加高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種導電高分子材料及其製備方法，以解決現有技術中的缺陷。
本發明是利用「雙導電滲濾閾值」的理論和聚合物流變學原理，以熔融指數差別較大的兩種聚合物為基體與導電填料共混製備導電高分子複合材料。與傳統的單一聚合物與導電填料所形成的導電聚合物相比，本發明不要求導電粒子完全均勻的分散在聚合物中，而是大部分導電粒子優先分布在其中一種聚合物中或者在兩種聚合物的界面處，從而形成導電通道，達到降低複合材料的滲濾閾值的目的。所以利用該原理製備的導電高分子複合材料，具有較低的導電粒子填充量。
本發明首先提供了一種導電高分子材料，該材料包含聚合物共混物和導電填料；其中導電填料的重量百分比含量為2％-15％；其中所述的聚合物共混物為熔融指數相差50％以上的兩種或兩種以上聚合物的共混物，其中聚合物為低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、尼龍(nylon)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲聚酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)；其中所述的導電填料是粒徑範圍為10-100nm的導電碳黑(CB)、導電氧化錫(SnO)或導電氧化鋅(ZnO)，或者是直徑為1-50nm的納米碳纖維(CF)或納米碳管(CNT)。
本發明還提供製備上述導電高分子材料的方法，該方法為通過雙螺杆擠出機或密煉機將組份共混進行熔融，熔融溫度比所用的聚合物共混物中熔點最高的聚合物的熔點高10-50℃(一般為170～280℃)，時間為10-20分鐘。
並且通過改變所用聚合物和導電填料的共混順序可以獲得不同種類的不同滲濾閾值的導電材料。當所用聚合物中的單一聚合物與導電填料共混所得到的滲濾閾值最低的導電材料的那種聚合物先與導電填料共混，再添加其他聚合物共混所製得的導電材料的滲濾閾值最低。
本發明製備的的優點在於製得的導電複合材料滲濾閾值低，穩定性好，工藝簡單，成本低廉，無汙染，安全環保。加工性能和力學性能良好，材料穩定性高，可作為抗靜電和導電材料、氣敏探測器、氣體傳感器、電磁波屏蔽材料，可在生物醫學、化學化工以及環境科學等領域具有廣泛的應用前景。
具體實施例方式
實施例1當聚丙稀和低密度聚乙烯為40/60時，將粒徑為30-40nm的碳黑和低密度聚乙烯以及聚丙稀在密煉機中熔融共混15分鐘，熔融溫度為190℃，所得的複合材料的滲濾閾值為7.11％。
實施例2當聚丙稀和低密度聚乙烯為80/20時，將粒徑為10-20nm的碳黑和低密度聚乙烯以及聚丙稀在密煉機中熔融共混13分鐘，熔融溫度為180℃，所得的複合材料的滲濾閾值為4.87％。
實施例3當聚丙稀和低密度聚乙烯為80/20時，先將低密度聚乙烯與粒徑為70-80nm的碳黑在在密煉機中熔融共混6分鐘，再加入聚丙稀熔融共混6分鐘，熔融溫度為185℃，所得的複合材料的滲濾閾值為4.27％。
實施例4-11實施例4-11方法同於實施例3，其參數見下表
實施例12-15實施例12-15方法同於實施例3，其參數見下表
權利要求
1.一種導電高分子材料，其特徵在於該材料包含聚合物共混物和導電填料；其中導電填料的重量百分比含量為2％-15％；其中所述的聚合物共混物為熔融指數相差50％以上的兩種或兩種以上聚合物的共混物；其中聚合物為低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲聚酯、對丙二甲酸乙二酯或聚對丙二甲酸丁二酯；其中所述的導電填料是粒徑範圍為10-100nm的導電碳黑、導電氧化錫或導電氧化鋅，或者是直徑為1-50nm的納米碳纖維或納米碳管。
2.一種製備權利要求1所述的導電高分子材料的方法，其特徵在於該方法為通過雙螺杆擠出機或密煉機將組份共混進行熔融，熔融溫度比所用的聚合物共混物中熔點最高的聚合物的熔點高10～50℃，時間為10-20分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種導電高分子材料及其製備方法，該複合材料是由兩種或兩種以上具有熔融指數相差50％以上的聚合物與導電填料通過機械熔融共混而成。本發明製備的複合材料的滲濾閾值較低，材料的加工性能和力學性能良好，穩定性高。此外，加工工藝簡單，成本低廉，安全環保。
文檔編號C08L77/00GK1948381SQ20061011763
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月27日 優先權日2006年10月27日
發明者張清華, 熊輝, 李偉, 陳大俊 申請人:東華大學