[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

本发明公开了一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法。该方法首先将高密度聚乙烯/碳纳米管母粒与高密度聚乙烯熔融混合，然后与聚氧化乙烯按照一定的质量比进行熔融混合，再通过“熔体挤出‑热拉伸‑辊压”的方法制备出各向异性导电高分子复合材料。采用该方法制备出的各向异性导电高分子复合材料具有交替片层结构，且碳纳米管仅分布在高密度聚乙烯片层中，使得复合材料导电性良好，各向异性显著；该方法工艺简单、易于控制、环境友好，可大规模连续化生产，有利于推广应用。

技术领域

本发明属于新型导电高分子材料加工制备技术领域。具体涉及一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法。

技术背景

各向异性导电高分子复合材料(简称ACPCs)是指电导率(或电阻率)在三个维度方向上存在差异，即在某一个或两个方向上为导体，而在另外两个或一个方向上为绝缘体的复合材料。近年来，随着电子系统变得更加微型化和智能化，一系列具有各向异性导电特性的高分子复合材料被广泛应用在电子封装、微型传感器、电化学制动器、电磁屏蔽等领域。一般常用平行于导电相取向方向的电导率(或垂直于导电相取向方向的电阻率)与垂直于导电相取向方向的电导率(或平行于导电相取向方向的电阻率)来表示复合材料的各向异性强度。

为了获得具有优异导电各向异性的高分子复合材料，人们开发出多种多样的制备方法，这些方法目的都是使导电填料取向或含有导电填料的高分子复合相取向，主要包括：(1)预取向导电填料法，即使用化学气相沉积法(CVD)或模板法使导电填料取向，然后与高分子基体进行复合来制备ACPCs。Peng等使用CVD法生长出垂直取向的碳纳米管(CNTs)阵列，接着从该阵列拉出碳纳米管取向片层并使其附着在玻璃基板上。随后，在其上旋涂高分子溶液或高分子熔体，当高分子材料干燥或固化后将其揭下制备出ACPCs；(2)磁场或电场诱导法，即利用磁场或电场诱导导电填料在高分子基体中取向排列，然后构筑具有取向导电网络的ACPCs。Kim等使用化学方法将具有磁性的γ-Fe₂O₃接枝在碳纳米管(CNTs)上，然后将其与环氧树脂混合，在0.3T的磁场强度环境中诱导磁性CNTs沿磁场方向取向排列，随后环氧树脂完成固化并固定了CNTs取向网络，制备出各向异性强度为4.1的ACPCs。Wu等将石墨烯、环氧树脂和固化剂混合均匀，然后在较强的交流电场环境中使得石墨烯纳米片沿电场方向取向，最后经固化制备出各向异性强度为103的ACPCs；(3)剪切或拉伸诱导取向法，即利用剪切或拉伸作用诱导含有导电填料的高分子复合相取向排列或自组装形成取向结构，进而制备出ACPCs。Li等将碳纳米管(CNTs)、聚乙烯(PE)和聚碳酸酯(PC)通过“高温挤出-热拉伸-淬冷”的方法制备出导电各向异性强度较大的ACPCs，这是因为分散相的PC在挤出拉伸过程中形成微纤，且CNTs包覆在PC微纤表面，所以使得复合材料具有各向异性导电特性。Zhu等使用剪切热台对聚丙烯(PP)/苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物(SEBS)/十八胺改性石墨烯(GE-ODA)共混物施加较弱的恒定剪切力，剪切一段时间之后，GE-ODA随SEBS发生聚集，形成一种垂直于剪切方向的条带结构，该结构使得最终制备得到的薄膜在沿条带取向方向和垂直于条带取向方向具有显著的导电各向异性。

上面所述制备ACPCs的方法中，预取向导电填料法制备出的ACPCs虽然导电性优异，但是制备方法极为复杂，无法实现大规模生产应用；磁场或电场诱导法制备出的ACPCs虽然导电性良好、导电各向异性强度高，但是该方法仅限于粘度较低的高分子体系中，且需要较高的磁场或电场，制备的样品尺寸小、产量低。因此，剪切或拉伸诱导取向法成为ACPCs简单高效的方法，但是目前利用该方法制备出的ACPCs导电各向异性强度较低、样品尺寸小，且制备工艺复杂、耗时长，很难实现规模化生产。因此，开发一种操作简单、能够大规模制备各向异性强度较高的ACPCs的制备方法成为急需解决的问题。

发明内容