[发明专利]具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的制备方法。

背景技术

导电高分子复合材料(Conductive Polymer Composite，CPC)是将导电填料(如碳黑(CB)、石墨、金属粉末等)加入单一或多相聚合物中制成的一种具有导电功能的高分子材料。CPC材料在室温下能有较高的导电性且电导率在较大范围内可调，常作抗静电和电磁屏蔽材料，广泛应用于电子、电器、纺织、采煤等工业。

近年来，CPC材料的气敏导电特性引起了学术界和产业界的广泛关注，由于此类材料在接触到某种气体或有机溶剂时会引起电阻的显著变化，因而在环境监测、化工生产中有机蒸汽的泄漏、有毒有害气体的检测等方面有着广阔的应用前景。CPC材料的气敏效应通常用逾渗理论来解释。一般认为是由于有机气体对基体的溶胀作用使导电粒子间距增大，从而破坏导电网络，体系发生逾渗转变(Percolation Transition)所致。

作为气敏材料的CPC通常被热压或浇铸成数十至数百微米厚度的薄膜使用，这是由于薄膜形状有利于有机气体对基体树脂特别是心层树脂的浸入与溶胀，以实现高气敏强度。然而，对于监测管道中流动气体的气敏材料而言，如此厚度的薄膜形态存在易破裂、作用面积小、稳定性不高等缺点。这成为阻碍CPC气敏材料进一步拓展其应用范围的重要因素。

从结构上看，如果在实体CPC材料内构建如图1所示的一维取向多孔气体通道(1-气体通道；2-CPC材料；箭头为气体流动方向)，且孔径和孔壁尺寸小至微米或纳米级，那么这种具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料将是一种理想的气敏材料。首先，超细泡孔的存在极大的增加了材料的比表面积，从而加强了材料表面对气体分子的接触与吸附；其次，比普通薄膜材料更薄的聚合物层可提供更高的气敏响应强度；再者，一维取向通孔结构对气体流动影响较小，有利于高速流动气体的通过与检测；最后，三维构架材料可提供比薄膜材料更大的耐压性能，更适合于具有一定气压差的环境下使用。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的制备方法，通过该方法制得的导电高分子复合材料适用于管道内高速流动气体的监控。

本发明的目的是提供一种具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)悬浮液制作：将导电粒子、可溶聚合物基体、聚合物溶剂配制成均匀的悬浮液；

2)定向冷冻：将装载步骤1)所得悬浮液的容器以＜500mm/s的速度缓慢浸入温度比悬浮液凝固点温度低10℃以上的冷却液中，使得在浸入过程中，悬浮液冷冻结晶区域沿浸入方向形成稳定的温度梯度，这样，在定向冷冻过程中，先冷却下来的聚合物溶剂首先在低温端形成大量晶核，在温度梯度场的作用下，溶剂晶体以晶核为起点发生定向生长，逐步形成沿浸入方向排列的晶柱。在此过程中，聚合物基体分子和导电粒子由于无法排入溶剂晶体的晶格，在晶柱周围析出；

3)低温低压干燥：在晶柱生长完成后，将冷冻后的悬浮液及容器置入冷冻干燥机内，使晶柱在低温低压下直接升华，待晶柱完全升华后取出样品，该样品经干燥后即为具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料；

进一步，所述聚合物溶剂是指能够溶解所选择的可溶聚合物基体的适合溶剂，包括水、烃类溶剂、卤代烃类溶剂、醇类溶剂、酯类溶剂、醚类溶剂和酮类溶剂；

进一步，所述可溶性聚合物是指能在溶剂中完全溶解或能在溶剂中形成稳定的乳液的一大类聚合物，包括水溶性聚合物、醇溶性聚合物、可溶于酯类溶剂的聚合物、可溶于烃类溶剂的聚合物、可溶于卤代烃类溶剂的聚合物、可溶于醚类溶剂的聚合物和可溶于酮类溶剂的聚合物；

进一步，所述导电粒子的可选择种类包括炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、超细金属颗粒和金属纤维；

进一步，所述步骤1)中，还加入了表面活性剂，用于使导电粒子悬浮在聚合物溶液中；

进一步，所述步骤2)是通过定速/变速移动装置将盛有悬浮液的容器浸入盛放有冷却液的冷却槽内完成定向冷却工作；

进一步，通过本制备方法制得的具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的微孔直径范围为0.2～200微米。

本发明的有益效果是：

1.用本发明所提供的制备具有一维取向多孔结构的导电高分子复合材料的方法主要涉及物理相变，不涉及化学反应，相比于微加工法、光刻法、软光刻技术等可能实现取向多孔结构的方法而言，工艺简单，易于控制，对设备要求不高，生产效率高，投资省；