[发明专利]导电和导热复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一类特殊碳纳米粒子在聚合物中改善导电和/或导热性的应用。更具体地说，本发明涉及碳纳米锥体和纳米圆片在聚合物中的应用。

背景技术

二十世纪下半叶的一项重大技术突破是具有足以取代金属用于多种结构领域的性质的不同塑料的发展。塑料作为结构材料与许多金属相比的主要优势是以低得多的重量和成本取得足够强度或刚度。

塑料是一大类合成或天然非金属材料的统称，包含，作为主要成分，某种高分子量的有机物质，通常为半合成或全合成树脂或有机聚合物。该主要高分子量化合物被称作基础塑料，而塑料通常又是按照该基础塑料属于何种类型化合物来分类的。塑料的一般类型是：以丙烯酸、氨基、沥青、酪蛋白、纤维素、环氧、糠醛、卤代烃、异氰酸酯、改性橡胶、酚醛、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚硅氧烷、苯乙烯和乙烯基等为基础的塑料。本发明涉及所有这些塑料类型。

基础塑料可与其它化合物如增塑剂、填料、稳定剂、润滑剂、颜料、染料等进行混合，以提供宽范围的物理和化学性能，例如，耐腐蚀、化学惰性、外观、抗张强度、弹性模量、硬度、耐热等。所有塑料的共同点是，它们当处于最终状态时为固体，但在其制造或加工的某一阶段，它们可以以流体状态变形或成形。因此，塑料是一类非常灵活的化合物，可以针对各种用途的要求对它们的性质和物理形状专门加以改变。当今，塑料已在我们的日常生活中被用作包装材料、服装、车辆、电子器具中的零部件、建筑材料等。

但是，有一项关键性能金属仍优于塑料：出色的导电和导热性。塑料是非常好的电绝缘体，其典型表面电阻率介于10¹⁴～10¹⁸Ω/sq。相比之下，金属的表面电阻率介于10^-5～10^-3Ω/sq，仅为10¹⁷～10²³分之一。

塑料的极端绝缘性能使它们，当暴露于与其它物体的滑动接触，暴露于强磁场之类时，容易积聚静电荷。此种现象被称作静电，在合适的条件下可积聚达30.000～40.000V数量级的局部电位差。此种静电势在该塑料接触到另一种表面电位足够低的材料时可能放电产生火花。日常生活中有许多场合可能受到放电的威胁。例如，火花危及包含可燃化合物或爆炸物的环境，例如，车辆中的管线、安全气囊等。还有，微电子器件如电脑芯片、LED、电路板，可因低至20V的放电而损坏至无法修复。此类场合对温度也敏感。燃料和爆炸物由于显而易见的原因不应受到不经意的、接近其燃点的加热，电脑芯片在接近其温度允许范围的能量密度和温度之下操作以及诸如此类。

因此，塑料的用途将能大大拓宽，如果找到使塑料导电和/或导热的好办法。传导性塑料具有许多比金属或涂层优越之处。成品零件重量更轻、更容易搬运，运输成本更低。它们的制造一般更容易和成本更低，并且它们较少遭受凹陷、碎落和划伤等的困扰。某些化合物可预先染色以便于识别或达到美观的目的，从而消除费钱又费时的二次着色操作。

理想的是，一种赋予塑料传导性的解决方案应提供根据以下四类材料导电性专门调节成品塑料零部件导电性的机会：

●抗静电化合物，其表面电阻率介于10⁹～10¹²Ω/sq。这样的化合物将抑制最初的电荷并最大限度减少电荷积聚，但将阻断中到高漏电流。

●耗散化合物，其表面电阻率介于10⁶～10⁹Ω/sq。这些化合物将防止任何电荷积聚，阻断高漏电流和防止向/从人体的接触静电放电。

●导电元件，其表面电阻率介于10²～10⁵Ω/sq。这些化合物将防止任何电荷积聚、驱散因高速运动造成的电荷积聚，并提供电荷泄放的接地通路。

●静电屏蔽化合物，其表面电阻率介于10⁰～10²Ω/sq。这些化合物将遮挡高静电放电电压损坏电子元件、屏蔽电磁干扰/射频干扰，并提供电荷泄放的极佳接地通路。

现有技术

目前仅发现少数具有足够传导性能的基础塑料，但它们的确又存在某些局限性。然而，近年来已知，塑料可通过给基础塑料充填导电填料而被赋予足够导电和导热性。