[发明专利]一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型导电高分子材料制备技术领域，具体涉及一种以碳纳米管(以下简称CNTs)、聚乙烯(以下简称PE)和聚碳酸酯(以下简称PC)为原料，并通过“高温挤出-热拉伸-淬冷”工序来制备各向异性导电高分子复合材料的方法。

背景技术

各向异性导电高分子复合材料(以下简称ACPC)是指电阻率在不同方向(平行，垂直或者厚度方向)上存在差异，即在某一个方向上导电(为导体)，而在其它方向上不导电或电阻率非常高(为绝缘体)的复合材料，而产生电性能各向异性的原因是ACPC在各个方向上导电通路的数目或导电网络的结构不相同。其各向异性程度由各向异性强度(I)来表示，具体定义为垂直于导电相取向方向的电阻率(或平行取向方向电导率)与平行取向方向的电阻率(或垂直取向方向电导率)的对数比log(或log)。由于该导电高分子复合材料具有的优良的各向异性，使其可广泛应用于电磁屏蔽材料，抗静电材料，自控温发热材料，开关材料，传感器材料，天线，电池，光电材料等等，且还因其具有正温度电阻效应及对有机溶剂的敏感性，使之可以作为感应材料，并越来越多地应用于电子封装，电子传感器和场放射等各种器件。

目前，用具有大的长径比和优异的电性能的CNTs来制备各向异性导电高分子复合材料的方法很多，且这些方法都是使CNTs在高聚物基体中进行定向分布来获取ACPC，如：

(1)使用化学气相沉淀、模板等方法来使CNTs预先取向，然后制取高分子/CNTs复合材料。Wei等(Wei C，et al.J.Am.Chem.Soc.2006，128：1412)就是通过在基板上定向生长的CNTs上原位包覆一层高分子树脂来制备导电复合材料，这种复合材料电性能对不同的有机蒸汽有不同的响应能力，可以用作电子元器件电性能感应材料。

(2)利用电场或磁场诱导CNTs在高分子聚合物中伸直取向排列。Park等(Park C，et al.J.Polym.Sci.B.Polym.Phys.2006，44：1751)通过交流电场来诱导CNTs在高分子聚合物中取向排列，得到了电性能良好的材料，CNTs在聚合物中的定向排列程度可以由所加电场的强度即电压，电场的频率，电场作用时间来调整。Choi等(Choi E S，et al.J.Appl.Phys.2003，94：6034)则利用磁感强度为25T的磁场诱导CNTs/环氧树脂复合材料中CNTs取向，结果表明其电导率比未取向的提高了35％。

(3)通过剪切，拉伸等机械作用使CNTs在聚合物中取向排列。Yue等(Yue Z B，etal.Macromolecules.2003，36：6213)通过凝胶/结晶化的方法先制得CNTs填充超高分子量聚乙烯的混合组分，然后拉伸成CNTs在基体内高度定向排列的材料，CNTs质量含量在15％时，材料可以拉伸至原来的100倍，室温下材料的杨氏模量达58Gpa，电导率为10^-3S/cm。

从上述制备ACPC的种种方法可以看出，其主要思路都是使CNTs在基体中取向排列，从而获得材料电性能的各向异性。但是CNTs作为一种纳米级填料，因其具有较大的表面能和强烈的相互作用力使得CNTs之间容易团聚而不容易在高分子聚合物基体中均匀分散，这无疑会对ACPC的制备工艺提出了苛刻的要求，故上述很多方法，如电场、磁场诱导CNTs取向等，一般仅限于实验室研究，很难规模化生产，而依靠外界力场如纺丝、拉伸等作用，也很难得到CNTs取向良好的ACPC。

本申请发明人在研究中发现，在制备的ACPC中，只要导电单元在材料内部定向排列即可，不一定需要导电单元如炭黑(CB)、CNTs取向，如果在材料内部能形成高聚物的微纤，而导电填料又在微纤中分布，就可以使高聚物微纤和导电填料相互搭接形成ACPC。因此，本申请发明人曾选取PE为基体，PC为分散相，并在制备时先将CNTs与PC混和，使CNTs分散在PC相中，然后再将含有CNTs的PC混合物与基体PE一起通过“熔融挤出-热拉伸-淬冷”的工艺(中国专利申请200910058546.1)来进行加工制备ACPC。由于这种方法是先将CNTs与PC混和，而PC的粘度较大使得CNTs不能向外迁移只能分散在单相的PC中，因而使获得的ACPC的导电通路构建和呈现的各向异性既不理想，而且还因PC的粘度较大，使得无法控制CNTs在PC中的均匀分布。

发明内容

本发明的目的是针对现有的采用“熔融挤出-热拉伸-淬冷”的工艺制备ACPC存在的问题，提供一种新的、可制备各向异性导电高分子复合材料的方法。