[发明专利]制备可设计层状聚合物基导电复合材料的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及聚合物加工领域，更具体的说，本发明涉及聚合物基导电复合材料的制备。

二、背景技术

聚合物基导电复合材料是将导电物质以一定的方式和加工工艺填充到聚合物基体中而形成的一种功能复合材料，它不仅可以满足人们对导电材料的需要，而且由于其重量轻、易加工成各种复杂的形状、化学稳定性好及电导率可以在较大范围内调节等特点而得到广泛的应用，并引起学术界和工业界研究其导电结构和性能的极大兴趣，促进了现代材料科学的发展。聚合物基导电复合材料可广泛用作防静电材料、导电材料、电阻体材料(PTC材料)和电磁波屏蔽材料等。常用的导电填料分为碳、金属和金属氧化物三大类，其中碳类导电填料主要为炭黑、石墨、碳纤维和碳纳米管。

通常，聚合物基导电复合材料的逾渗阈值较高。较高的导电物质添加量不仅导致复合材料的韧性大幅度下降，而且导致加工成型困难，生产成本增加。因此，在满足导电性能的要求下降低材料的逾渗阈值或在固定导电物质含量的条件下提高材料的导电性能成为科研和生产工作者追求的目标。大量研究表明，聚合物基导电复合材料的导电性能主要取决于导电物质在聚合物基体中与长程相关形成的导电通道或网络，而体系中导电网络的形成及完善与聚合物大分子链的松弛行为、聚合物的聚集态结构以及炭黑在聚合物中的分布密切相关。

在现实应用中，能有效降低逾渗阈值的一种方法是基体树脂采用多相体系，最普遍的是三相体系(含导电物质)。将导电物质添加到两种不相容聚合物基体中，通过适当的工艺控制使导电物质优先分布在不相容聚合物共混物的一相中或两相的界面处，调节不相容聚合物的配比使导电物质所在相成为连续相或共连续相，实现导电物质在一个连续相中或连续界面上的逾渗和该连续相在另一聚合物中的逾渗(即双逾渗)，从而降低逾渗阈值。比如Gubbels等(Selective Localizationof Carbon Black in Immiscible Polymer Blends：A Useful Tool To Design ElectricalConductive Composites Macromolecules；1994；27(7)；1972-74.)将导电炭黑粒子有选择地填充到聚乙烯/聚苯乙烯双连续体系中的聚乙烯相，所制备的导电复合材料的逾渗值降低至3wt％。李忠明等(可形成原位导电微纤网络的复合材料的制备方法：中国专利，CN1528816，2004)按干燥-母料制备-熔融共混挤出-热拉伸-淬冷-造粒等工艺步骤及条件制备了原位成纤复合材料，导电填料存在于高熔点的纤维相中，这些纤维相又能在后加工成型的制品中形成导电网络，因此加入的导电填料量少，大大降低了复合材料的导电逾渗值。

显然在上述方法中，实现双逾渗的前提条件是使用双组分聚合物基体，并且导电物质所在聚合物相必须以连续相的形式存在于另一相。而且由于导电物质两相中的分配不易控制和计算，两相的结构形态易受组分的配比、粘度比、表面张力比以及加工工艺等多种因素的影响，因而从热力学、流变学角度考虑，很难通过传统共混复合方法获得可重复和可控制的理想形态结构，难以制备具有可设计导电性能的复合材料。

三、发明内容

本发明的目的是针对制备聚合物基导电复合材料的现状而提供一种新的制备聚合物基导电复合材料的方法，以解决现有技术的导电复合材料制备方法制备的导电复合材料很难获得可重复和可控制的理想形态结构，导电性能难以具有可设计性等技术问题。

本发明公开的制备可设计层状聚合物基导电复合材料的方法，是将导电层物料和绝缘层物料分别投入分层共挤装置的两台挤出机中，熔融塑化后，使两股熔体在汇合器中叠合，经过n个分叠单元的切割和叠合后，从出口模流出即制得2⁽ⁿ⁺¹⁾⁾层由导电层和绝缘层交替分布的聚合物基导电复合材料。聚合物基导电复合材料的导电层与绝缘层厚度比可通改变过两台挤出机的转速比来调整。。

在上述技术方案中，所述导电层物料为由作为导电物质的填料和作为基体的聚合物混合经挤出机挤出制取的粒料。导电物质在导电层物料中的重量含量一般控制在1-30％的范围内。导电物质可为炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属和金属氧化中的一种，或两种以上。基体聚合物也可为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、合成橡胶和聚氨酯中的一种，或两种以上。