[发明专利]一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物基导电复合材料的制备技术领域。

背景技术

聚合物基导电复合材料是指在本征不导电的聚合物基体中添加碳黑、碳纤维、碳管、石墨、金属粉末等导电物质(导电填料)而制备的具有导电性的复合材料。此类导电聚合物成本低、稳定性高、易于加工成型，且电学性能在较大范围内可调，在抗静电、电磁波屏蔽、燃料电池双极板、传感器、导电涂料等领域有着广泛的应用。其导电机理是，当导电填料含量超过一定临界值(即导电逾渗值)，导电填料在聚合物中形成连续的网络，电子在网络中传输而使聚合物具备导电性。增加导电填料能够保证其导电性，但添加量过大会提高聚合物的粘度，使其加工性变差，还会损坏体系的其他性能，如力学性能。制备导电复合材料的关键问题是在提高材料导电性能的同时，尽可能降低导电填料的用量即获得较低的导电逾渗值，使材料的电性能和其他性能得到优化结合。

导电填料种类、性质、分散方式及其与聚合物基体的相互作用直接决定了导电网络的形成，进而影响材料导电性能以及导电逾渗值。在众多导电填料中，管状的碳纳米管具有极高的长径比，片状的石墨具有极高的径厚比。相比于其他导电填料二者能够在较低含量下，在基体中均匀分散形成连续的三维立体网络结构；其导电阀值较低。因此，目前更多的是利用碳纳米管、石墨来制备低导电逾渗值的复合材料。其制备方法，主要有以下二种方法：

一、通过对填料进行表面改性以改善其在基体中的分散，例如Liu等人在Appl Phys Lett 2003，83：2928的报道中利用聚合物接枝改性碳纳米管，增强了碳纳米管与聚合物的相互作用，使碳纳米管在基体中均匀分散，从而获得了更低的导电逾渗值。但这种方法通常涉及大量的化学反应，操作复杂，不利于工业上大规模生产；且会在碳纳米管表面引入较多缺陷，对碳纳米管的结构造成严重破坏，导致碳纳米管本身电性能和机械强度的恶化。

二、通过将导电填料直接分散在呈双连续结构时的不相容的两相聚合物中的与导电填料亲和性较强的一相中，当导电填料在该相中也呈网络结构时，会产生“双逾渗效应”，体系的导电阀值大大降低。该方法操作简单，适合工业化生产。但导电逾渗阀值的大小则与填料在其中一相的分散情况有关，同时填料在一相的聚集会导致加工过程熔体强度的改变，进而影响加工性能以及共混物的形态，其应用受到局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，该方法的导电填料用量低，制备的导电复合材料导电性能好，力学性能强。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种熔融共混制备聚合物基导电复合材料的方法，其步骤是：

1)原料的选择：先选取碳纳米管或石墨作为导电填料，再选择聚合物一和聚合物二：其中聚合物一的粘度(η_聚合物一)与聚合物二的粘度(η_聚合物二)之比大于等于100，即η_聚合物一/η_聚合物二≥100；或者聚合物一与导电填料亲和性低、聚合物二与导电填料亲和性高，导电填料与聚合物一及聚合物二构成的共混体系的理论浸润系数ω_a＞1，其中γ代表两相之间的界面张力，且聚合物一和聚合物二是化学性质不相容的聚合物；

2)导电填料的预处理：将碳纳米管或石墨进行煅烧或酸化处理；

3)熔融共混：将预处理后的导电填料先与聚合物一熔融共混，冷却固化后制得母料，再将母料与聚合物二熔融共混，冷却固化后即得聚合物基导电复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明先将导电填料与粘度较高的聚合物一熔融共混形成母料，再将母料与粘度较低的聚合物二熔融共混，在这一熔融过程中，由于聚合物一的粘度远大于聚合物二的粘度，聚合物一中的导电填料会从聚合物一向聚合物二迁移，在导电填料大量迁移在两相界面处时，进行冷却固化即可得到导电填料主要在界面分布的聚合物基导电复合材料。对于粘度比小于100倍的两个聚合物，则先将导电填料同与其亲和性差的聚合物一熔融共混形成母料，再将母料同与导电填料亲和性高的聚合物二熔融共混；在这一熔融共混过程中，聚合物一中的导电填料则会向与其亲和性更高的聚合物二迁移，在导电填料大量迁移在两相界面处时，冷却固化也可得到导电填料主要在界面分布的聚合物基导电复合材料。由于导电填料主要分布在两相交界的二维界面上，较之均匀分布在两相中或一相中，能以极少的导电填料形成连通的导电网络。导电填料的导电逾渗值低，利用率高，复合材料的导电性能好。