[发明专利]一种连续化制备聚合物基导电复合材料的方法和装置

说明书

本发明公开了一种连续化制备聚合物基导电复合材料的方法和装置，在软辊上施加一定的压力使得柔性软辊发生一定范围内的弹性形变，并通过传动机构带动柔性软辊对聚合物基体和导电填料为原料的共混物进行连续地“面对面”三维空间强制滚压压缩成型。本发明提供的连续化制备导电复合材料的方法和装置，可通过柔性软辊的排布和行程的控制设置可实现导电复合材料连续化大面积的制备。本发明制备得到的聚合物基导电复合材料表面电阻显著降低并兼备柔性和可连续化大面积成型的特点。相比较于传统方法，本发明具有可连续化成型、生产成本低、工艺简单、成型效率高等特点。

技术领域

本文发明涉及复合材料制备技术领域，具体是指一种连续化制备聚合物基导电复合材料的方法和装置，属于复合材料加工工艺领域。

背景技术

聚合物基导电复合材料在航空航天、可穿戴设备、电磁屏蔽、超级电容或电池电极等领域都得到广泛地应用。对于聚合物基导电复合材料而言，添加的导电填料在聚合物基体中所形成的导电网络的均匀性和密实化程度直接影响了聚合物基导电复合材料的功能性和应用领域。

传统工艺制备聚合物基导电复合材料时，是采用强制机械压缩方法将在“二维平面”内导电填料分散到聚合物基中，只有当单位体积内导电填料含量超过材料的导电逾渗阀值时才能形成导电网络得到导电复合材料；但当导电填料含量达到一定份数后，导电填料就很难再有效地通过强制机械压缩的方式均匀地分散到聚合物基体中，从而形成填料之间分散间距的不可控，导致形成的导电网络分布不均匀，最终导致制备的导电聚合物会常出现局部机械性能差、表面电阻不均匀性等缺陷。同时，这种通过机械压缩的方法很难实现聚合物基导电复合材料膜大面积连续化的制备。同时，因为传统加工方法是基于平面限域组装的局限时，不能单纯通过增加导电填料的含量来制备出与含量成线性关系的高电导率的导电复合材料，此外，导电填料含量的增加直接影响共混物的粘度，导致其制备过程的不可控性。通过增加填料含量提高聚合物基导电复合材料的电导率的方式，会导致聚合物导电复合材料成膜工艺困难，严重地限制了制备的聚合物基导电复合材料的推广和应用。

本发明基于“三维空间限域强制组装”的原理是将传统滚压装置中的刚性滚压辊换成具有一定柔韧性的柔性软辊的方式进行滚压成型，把传统刚性滚压辊滚压和刚性平面之间的“线对面”的滚压方式转换为软辊滚压和刚性平面之间的“面对面”的滚压压缩成型的方式，通过可控的柔性软辊上施加的下压压力和软辊移动的速度来控制软辊局部变形所形成的滚压面积和滚压过程的保压时间。通过“面对面”的滚压方式使得聚合物基体和导电填料的共混物能在“三维空间方向”上能均匀地流动形成密实且均匀的导电网络得到聚合物基导电复合材料，并结合滚压成型连续化生产的特点。以此克服传统加工方法难以通过压缩提高电导率的同时实现导电复合材料的大面积连续化生产困难的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续化制备聚合物基导电复合材料的连续制备的方法和装置，本发明通过选择具有一定弹性模量的柔性软辊代替刚性滚压辊进行滚压成型。通过对具有一定柔韧性的软辊施加一定的垂直压力和移动速度后，可以对滚压过程中的滚压面上的滚压压力、滚压面积和保压时间进行定量的分析，以此作为实现方法的理论依据。

本发明基于弹性力学理论对柔性软辊和刚性平面接触的接触面上的压力分布进行受力分析，确定了柔性软辊和刚性平面的接触区域的三维空间压力分布：

(1)式中P为垂直方向施加到柔性软辊的中心轴上的压力，kgf；为沿着接触区域内沿水平Y轴方向每单位长度的压力，gf；p(y)则沿水平Y轴方向的各点的压力；a为软辊接触区椭圆长边长度，mm；b为接触区椭圆短边长度，mm；

柔性软辊和刚性平面的接触过程中在垂直方向z方向变形量分别为和0，其中D为柔性软辊的直径，mm。由公式(1)受力分析可知通过控制P控制柔性软辊受压区域的力分布。

本发明基于弹性理论，在柔性软辊和刚性表面的接触区矩形长边的长度为a的情况下，对柔性软辊受力压缩后的接触区面积和接触区的短边长度的理论值进行分析，得到接触面积的理论值：