专利名称：高导电率聚合物复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高导电率聚合物复合材料，特别是涉及一种新型利用轻质的高密度聚乙烯/纳米石墨压阻材料制成的高导电率聚合物复合材料及其制备方法。
背景技术：
绝大多数聚合物材料是不导电的，聚合物电导率的提高通常是通过加入一定量的导电材料，由导电填料连接成导电通路，从而使聚合物材料具有一定的导电性。已有的技术中导电填料多为天然石墨、膨胀石墨、碳黑、乙炔黑等，体系中所用的导电填充量大，渗滤阈值高，对复合材料的强度和韧性损害较大。并且高导电填充量的复合材料，其电阻率随压力升高而增加的幅度很不明显。纳米石墨的厚度为纳米级，直径为微米级，具有高的径厚比，因此可大大减少导电填料的用量，降低体系的渗滤阈值，使材料具有明显的压阻效应和轻质的特性。结晶性高分子导电复合材料的电阻随温度的升高而增大，在一定临界温度下呈现数量级的突变，这一现象通常被称为电阻正温度系数效应(Positive Temperature Coefficient，PTC)。高分子基复合导电材料有累似的效应，在一定压力范围内其电阻率随压力的增加而增大，可定义为压阻效应。F.Carmona，R.Canet，P.Delhaes在Journalof Applied Physics 1987年第61卷2550-2557页报道了聚合物基导电复合材料的压阻效应。在Journal of Applied Polymer Science2000年第77卷792-796页中报道了高密度聚乙烯/炭黑导电复合材料的压阻效应，炭黑的添加量大于37.5％，导电填料的含量较高，随压力的升高复合材料电阻率增加的幅度不是非常明显。
已有的聚合物基导电复合材料由于导电填料填充量大，材料随环境压力的升高，其阻断电流的效应并不明显，并且导致了导电复合材料力学性能和加工性能的下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种具有高的压阻特性(在一定范围压力下能有效阻断电流)、高电导率、良好的力学性能和加工性能的轻质的具有高导电率聚合物复合材料。
本发明的另一个目的在于提供一种轻质的具有高导电率聚合物复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是本发明是一种高导电率聚合物复合材料，它由下列重量份百分比的组分组成高密度聚乙烯70-99％石墨1.0-30％。
所述石墨为纳米石墨，其径厚比为50-500。
一种高导电率聚合物复合材料的制备方法，其制备方法如下(1)辊筒混炼机予热至135-200℃；(2)开始投入70-99重量份的高密度聚乙烯；(3)待高密度聚乙烯塑化后，再加入1-30重量份纳米石墨；(4)将上述二混合物薄通均匀；(5)下料冷却，制备成片状压阻材料。
在步骤(1)中的双辊筒混炼机的辊筒表面温度保持在135-150℃。
在步骤(2)至步骤(4)的炼制时间控制在10-20分钟。
一种高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于其制备方法如下
(1)将挤出机预热至160℃以上；(2)将所述重量百分比的高密度聚乙烯和纳米石墨混合均匀后投入挤出机，熔融后牵引挤出；(3)将挤出的高密度聚乙烯/纳米石墨复合材料造粒后热压成型。
在挤出过程中，挤出机的机头温度控制在135-200℃。
所述的热压成型的温度为170-250℃。
所述的热压成型的温度高于高密度聚乙烯的熔融温度。采用上述方案后，本发明纳米石墨具有高的径厚比，通过高温混炼，使用较少量的纳米石墨便可在高密度聚乙烯中形成导电网络。由于纳米石墨的含量少，因此在较窄压力范围内可使材料中的导电通路受到严重的破坏，使得材料电阻率急剧跃增，从而起到阻断电流的作用。石墨的比重较大，低的纳米石墨导电填料含量，使高密度聚乙烯/纳米石墨材料具有较轻的重量，且克服了填充型导电复合材料加工流变性差和力学性能低的问题。因而，本发明具有以下优点(1)在较窄的压力范围内，材料能有效地阻断电流；(2)材料导电性比一般高分子导电复合材料好；(3)材料具有良好地力学和加工性能，并且重量较轻；(4)制备工艺较为简单。
本发明中材料发生压阻效应时，材料所受的压力为单轴压力。
具体实施例方式
1、本发明的高导电率聚合物复合材料通过双辊筒混炼机混炼的方法进行制备。
实施例1分别称取纳米石墨6克，高密度聚乙烯24克。将双辊筒混炼机预热至135℃，使辊筒表面温度保持在140℃左右；先将高密度聚乙烯投入辊筒，待其塑化后再投入纳米石墨；均匀薄通15分钟后下料冷却，得到表面呈黑色的片状材料。
实施例2分别称取纳米石墨7.5克，高密度聚乙烯22.5克。将双辊筒混炼机预热至175℃，使辊筒表面温度保持在150℃左右；先将高密度聚乙烯投入辊筒，待其塑化后再投入纳米石墨；均匀薄通20分钟后下料冷却，得到表面呈黑色的片状材料。
实施例3分别称取纳米石墨9克，高密度聚乙烯21克。将双辊筒混炼机预热至200℃，使辊筒表面温度保持在135℃左右。先将高密度聚乙烯投入辊筒，待其塑化后再投入纳米石墨；均匀薄通10分钟后下料冷却，得到表面呈黑色的片状材料。
实施例4分别称取纳米石墨3克，高密度聚乙烯27克。将双辊筒混炼机预热至140℃，使辊筒表面温度保持在145℃左右；先将高密度聚乙烯投入辊筒，待其塑化后再投入纳米石墨；均匀薄通15分钟后下料冷却，得到表面呈黑色的片状材料。
1、本发明的高导电率聚合物复合材料通过挤出机挤出后热压成型的方法进行制备。
实施例5分别称取纳米石墨6克，高密度聚乙烯24克。将挤出机预热至170℃；将高密度聚乙烯和纳米石墨的混合物投入挤出机，熔融后牵引挤出；将挤出物造粒后在180℃条件下热压成黑色片状材料。所得的材料体积电阻率与压力的关系见表1。
表1
实施例6分别称取纳米石墨7.5克，高密度聚乙烯22.5克。将挤出机预热至200℃；将高密度聚乙烯和纳米石墨的混合物投入挤出机，熔融后牵引挤出；将挤出物造粒后在250℃条件下热压成黑色片状材料。所得的材料体积电阻率与压力的关系见表2。
表2在上述实施例中纳米石墨为天然鳞片石墨在高温下快速膨胀成膨胀石墨，将膨胀石墨进行超声振荡制得纳米石墨。
权利要求
1.一种高导电率聚合物复合材料，其特征在于它由下列重量份百分比的组分组成高密度聚乙烯 70-99％石墨 1.0-30％。
2.根据权利要求1所述的高导电率聚合物复合材料，其特征在于所述石墨为纳米石墨，其径厚比为50-500。
3.一种根据权利要求2所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于其制备方法如下(1)将双辊筒混炼机予热至135-200℃；(2)开始投入70-99重量份的高密度聚乙烯；(3)待高密度聚乙烯塑化后，再加入1-30重量份纳米石墨；(4)将上述二混合物薄通均匀；(5)下料冷却，制备成片状压阻材料。
4.根据权利要求3的所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中的双辊筒混炼机的辊筒表面温度保持在135-150℃。
5.根据权利要求3的所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)至步骤(4)的炼制时间控制在10-20分钟。
6.一种根据权利要求2所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于其制备方法如下(1)将挤出机预热至160℃以上；(2)将所述重量百分比的高密度聚乙烯和纳米石墨混合均匀后投入挤出机，熔融后牵引挤出；(3)将挤出的高密度聚乙烯/纳米石墨复合材料造粒后热压成型。
7.一种根据权利要求6所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于在挤出过程中，挤出机的机头温度控制在135-200℃。
8.一种根据权利要求6所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于所述的热压成型的温度为170-250℃。
9.一种根据权利要求6或8所述的高导电率聚合物复合材料的制备方法，其特征在于所述的热压成型的温度高于高密度聚乙烯的熔融温度。
全文摘要
本发明公开了一种由高密度聚乙烯和纳米石墨构成的高导电率聚合物复合材料。本发明纳米石墨具有高的径厚比，通过高温混炼，较少量的便可在高密度聚乙烯中形成导电网络，它的电阻率在较窄的压力范围内随压力的升高而急剧跃增，具有阻断电流的开关特性，且材料重量较轻、具有良好的力学性能和加工性能，材料导电性比一般高分子导电复合材料好。
文档编号C08L23/06GK1569944SQ20041001492
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者陈国华, 卢金荣, 吴大军 申请人:华侨大学