具有改善的机械性能的复合材料以及包含该复合材料的模制品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种复合材料，该复合材料具有改善的机械性能，本发明还设及包含 该复合材料的模制品。
【背景技术】
[0002] 热塑性树脂，特别是具有优异机械性能和好的耐热性的高性能塑料，用于多种应 用。例如，聚酷胺树脂和聚醋树脂适合用于各种工业部件，包括电气/电子部件、机器部件 和汽车部件的制备，由于它们的机械性能和初性的良好平衡，所W主要是通过注塑成型。具 有优异的模制性能、耐热性、机械性能和耐化学性的聚醋树脂，尤其是聚对苯二甲酸了二醇 醋和聚对苯二甲酸己二醇醋，被广泛用作用于工业模制品例如连接头、继电器、W及发动器 的开关和电气/电子器件的材料。无定形树脂例如聚碳酸醋树脂是高透明的且尺寸稳定。 由于该些优势，无定形树脂用于很多领域，包括光学材料和家用电器的部件、OA装置和汽 车。
[0003] 出于防止由静电和灰尘污染引起的故障的要求，电气/电子器件应该抗静电。汽 车燃料累部件也需要具有除了现有机械性能之外的高电导率。
[0004] 添加剂例如表面活性剂、金属粉末和金属纤维通常用于使树脂具有导电性。然而， 该些添加剂常常无意地使最终模制品的物理性能（例如电导率和机械强度）劣化。
[0005] 导电炭黑是使树脂具有导电性的常用材料。然而，必须添加大量炭黑来实现高电 导率并且炭黑的结构在烙融混合的过程中也易分解。得到的树脂经受加工性能差W及热稳 定性W及其他物理性能的巨大劣化。
[0006] 在该些情况下，为了实现改善电导率，同时减少导电填充剂的使用，研究集中于包 含碳纳米管而不是导电炭黑的树脂复合材料。
【发明内容】
[0007] 技术问题
[000引本发明的一个目的是提供一种复合材料，该复合材料具有改善的机械性能，同时 具有高电导率。
[0009] 本发明的另一目的是提供一种模制品，该模制品具有改善的机械性能，同时具有 高电导率。
[0010] 技术方案
[0011] 根据本发明的一个方面，提供一种复合材料，该复合材料通过加工包含热塑性树 月旨、束型碳纳米管和强化材料的树脂组合物制备而成，其中，在加工之前所述碳纳米管的 Id/\为1.0W下，并且在加工之后复合材料中的碳纳米管的平均长度为相对于加工之前碳 纳米管的平均长度的40%至99%，Id/I。指在碳纳米管的拉曼光谱中D峰的强度与G峰的 强度的比率。
[0012]根据本发明的另一方面，提供一种模制品，该模制品包含所述复合材料。
[001引有益效果
[0014] 根据本发明的一个方面的复合材料通过挤出包含碳纳米管和强化材料的热塑性 树脂组合物制备而成。作为原料的碳纳米管的Id/\低，表明它们在挤出过程中经历较少的 裂解。因此，在作为终产品的复合材料中存在的碳纳米管的平均长度更小程度地减小，从而 使复合材料具有高电导率。另外，强化材料的添加有助于进一步改善机械性能。因此，复合 材料适合用于要求具有高电导率的各种部件。
【具体实施方式】
[0015] 现在将详细地描述本发明。应该指出，本说明书和权利要求书中使用的术语和单 词不应该理解为限于常规或词汇意义，而是应该基于发明人能适当定义术语的概念W更好 地描述他自己的发明的原则，理解为与本发明的技术观点对应的含义和概念。
[0016] 本发明的一个方面提供一种复合材料，该复合材料通过加工包含热塑性树脂、束 型碳纳米管和强化材料的树脂组合物制备而成，其中，在加工之前所述碳纳米管的Id/\为 1. 0W下并且在加工之后余量长度的比率为40%至99%。
[0017] 余量长度的比率可W通过公式1来定义：
[0018] 余量长度的比率（％ )=(在加工之后复合材料中存在的碳纳米管的平均长度/ 在加工之前作为原料的碳纳米管的平均长度）X100 (1)
[0019] 通过向热塑性树脂中添加碳纳米管，树脂组合物的电导率得到改善。此时，需要使 热塑性树脂内在机械性能的劣化最小化。另外，在将组合物加工为复合材料或将复合材料 加工为模制品的过程中，不应该引起诸如气泡产生的问题。因此，将强化材料和具有最小缺 陷的碳纳米管一起用于树脂组合物来进一步改善复合材料的电导率和机械性能，同时维持 组合物和复合材料的加工性能。
[0020] 组合物中使用的强化材料可W为纤维形状。由于该个形状，强化材料可W在热塑 性树脂的基质内形成网络结构并且可W与碳纳米管进行结构缠结，使树脂组合物的机械强 度得到改善。
[0021] 在本发明的组合物中，可W不加限制地使用任何具有纤维形状的强化材料。例如， 强化材料可W选自碳纤维、玻璃纤维、磨碎玻璃纤维、芳香族聚酷胺纤维、氧化侣纤维、碳化 娃纤维、陶瓷纤维、石棉纤维、石膏纤维、金属纤维，W及它们的混合物。
[0022] 所述强化材料可W为碳质或石墨的碳纤维。碳质碳纤维的具体例子包括碳粉、精 细碳颗粒、炭黑和碳纤维。更具体地，优选使用直径在约5至约15ym的范围内且长度在约 100ym至约16mm的范围内的针状碳纤维。还优选使用长径比（长与宽的比率，L/H)为250 至1600的碳纤维。
[0023] 所述具有纤维形状的强化材料可W为玻璃纤维。所述玻璃纤维可W为任意本领域 市售的那些物质。例如，所述玻璃纤维可W具有约8至约20ym的直径和约1. 5至约8mm 的长度。当所述玻璃纤维的直径在上述规定的范围内时，可W有效改善组合物的抗冲击性。 当所述玻璃纤维的长度在上述规定的范围内时，组合物可W容易地加入到挤出机或注塑机 中并且也可W显著改善组合物的抗冲击性。
[0024] 所述玻璃纤维可W具有选自圆形、楠圆形、矩形和哑铃形状的横截面。哑铃形状指 两个圆通过直线连接的形状。所述玻璃纤维可w为平面特种玻璃纤维。此时，将玻璃纤维 切断，使其具有25至30ym(宽度）和5至lOym(长度）的面积和2至7mm的长度。鉴于 热塑性树脂组合物的加工性能、表面特征和机械性能（具体地，提曲强度），优选使用切断 的玻璃纤维。
[0025] 所述玻璃纤维可W用处理剂处理来防止与热塑性树脂的不希望的反应并且实现 浸溃度的改善。所述玻璃纤维可W在制备过程中或后处理过程中处理。
[0026] 所述处理剂可W为，例如，润滑剂、偶联剂或表面活性剂。所述润滑剂用于在玻璃 纤维的制备过程中形成具有恒定的直径和厚度的优异线（strand)。所述偶联剂起到使玻璃 纤维和树脂良好地粘合的作用。根据使用的树脂和玻璃纤维的种类适当选择所述处理剂， 赋予作为强化材料的玻璃纤维优异的物理性能。
[0027] 基于100重量份的热塑性树脂，可W包含0. 1至50重量份的量的强化材料。在该 个范围内，树脂组合物和模制品的机械强度能够得到改善。另外，树脂组合物流动性高，保 证高的加工性能和模制性能。
[002引所述热塑性树脂组合物还可W包含碳质导电剂。所述碳质导电剂可W选自，例如， 炭黑、石墨締、碳纳米纤维、富勒締和碳纳米线。基于100重量份的热塑性树脂，所述碳质导 电剂的添加量可W为约0. 1至约30重量份或0. 1至10重量份。在该个范围内，树脂组合 物的电导率可W进一步改善，且树脂组合物的物理性能不会劣化。
[0029] 所述碳质导电剂可W为炭黑。作为炭黑，可W使用，例如，炉法炭黑、槽法炭黑、己 诀黑、灯黑、热炭黑或科琴黑。然而，炭黑的种类没有限制。所述炭黑的平均粒径值在20至 100ym的范围内。在该个范围内，树脂组合物的电导率可W有效改善。
[0030] 所述碳质导电剂可W为石墨締。石墨締为二维碳同素异形体，可W通过不同方法， 例如剥离、化学氧化/还原、热解和化学气相沉积法来制备。剥离指由石墨物理分离单层石 墨締的方法，化学氧化/还原指石墨分散在溶液中且被化学还原来得到石墨締的方法，热 解指碳化娃（SiC)基底在高温下热裂解来得到石墨締层的方法。具体地，用于合成高质量 石墨締的示例性方法为化学气相沉积法。
[0031] 根据一个实施方案，所述石墨締可W具有0. 1W下的长径比，包含100层W下，且 比表面积为300mVgW上。石墨締指在石墨的hep晶体结构中SP2-键合碳（C)原子的单一 平面网络。广义上讲，石墨締意在包括含有多层的石墨締复合材料层。
[0032] 根据一个实施方案，所述碳质导电剂可W为具有大比表面积、高电导率和强吸附 性的碳纳米纤维。例如，所述碳纳米纤维可W通过在高温下裂解含碳气态化合物、使裂解产 物生长，并且在先前制备的金属催化剂上进一步使得到的碳材料W纤维形式生长来制备。 所述裂解后的碳产物在尺寸为数纳米的金属催化剂的表面上经过吸附、裂解、吸附、扩散和 沉积来形成具有高结晶度和纯度的层状石墨締层。所述金属催化剂可W为过渡金属例如 镶、铁、钻并且可W为颗粒形式。在催化剂颗粒上形成的碳纳米纤维生成纳米范围的直径， 相当于其他种类的通用碳纤维的直径（~10ym)的约百分之一。小直径使碳纳米纤维具 有大的比表面积、高电导率、强吸附性和优异的机械性能。由于该些优势，碳纳米纤维适合 在树脂组合物中使用。
[0033] 可W通过不同方法，包括电弧放电、激光烧蚀、等离