一种注塑成型高性能导电或导热聚合物基复合材料制件的新方法与流程

本发明涉及一种注塑成型高性能导电或导热聚合物基复合材料制件的新方法：注塑-压缩-再压缩成型方法，简称“注-压-压”方法。该方法，基于导电(导热)网络的“强制组装”方法制备高性能导电(导热)复合材料制件的工艺，通过特殊功能的注塑成型机实现。属于复合材料制备技术领域。

背景技术：

原位聚合法、溶液混合法和熔体共混法是制备聚合物基导电(导热)复合材料的常用方法，其中熔体共混法是制备填料均匀分散的聚合物基复合材料普遍采用的方法，易于实现制品的批量加工，尤其适用于工业生产。注塑成型方法是制备聚合物基复合材料制件的首选方式之一。近年来，注塑压缩方法获得了发展，在传统注塑成型方法的基础上出现了非连动合模压缩注塑、连动注塑压缩方式、冷却间退模等几种压缩成型方法，以解决薄壁、高粘度、大型制件难以注塑成型的难题。在注塑压缩成型中,熔体首先被注入半闭合的模腔内,随后或同时被压缩,并在完全闭合的模腔中冷却成型。与传统的注塑成型相比,注塑压缩成型具有改善熔体充模性能、降低注塑压力和锁模力、减小制品残余应力和翘曲、提高制品整体密度均匀性等优点。注塑压缩主要是在模具上实现的,现有的注塑压缩模具包含一维方向和二维方向上对熔体进行一次或多次压缩。如专利号为ZL02802531.8的专利公开的注塑压缩模具能够在制品厚度方向上对熔体进行压缩；专利号为CN1O2773976A的专利公开的一种双向压缩模具，可同时在纵向和横向两维方向上改变模腔体积，满足制品更高的压缩要求；专利号为CN101195266A的专利公开的一种双重压缩成型方法，通过移动模板压缩方式和顶出压缩成型方式连动，在注塑压缩的基础上实现了二次压缩的过程。目前已公布的注塑压缩专利均着眼于制备薄壁制品、消除制品内应力、降低制品内分子链的取向程度等方面。本发明涉及的注塑-压缩-再压缩成型方法则侧重于导电(导热)网络的“强制组装”，通过二次乃至多次压缩，为导电(导热)网络的形成提供必要的动力学及热力学条件。

聚合物基导电(导热)复合材料作为重要的功能材料之一，近年来广泛的应用于制造抗静电、导电或者导热需求的电子设备、飞机配件、个人电脑、发光二极管芯片、电磁干扰屏蔽和传感材料、医疗设备、智能生物材料、汽车零部件、家用电器、管道等。聚合物基体本身的导电(导热)性能差，不能满足实际使用需求，因此需要向聚合物基体中添加具有相当大长径比或比表面积的导电(导热)填料，形成连续的导电(导热)网络才能制备出满足需求的复合材料制品。常用的导电(导热)填料有炭黑粒子、碳纤维、片状石墨、碳纳米管和石墨烯。理论与实践表明，形成连续紧密的导电(导热)网络是制备高导电(导热)性能聚合物基复合材料的关键，现有的提高复合材料导电(导热)性能的方法主要通过提高填料含量达到渗流阈值后继续添加直至饱和。即便如此，复合材料的导电(导热)性能仍与理论值相差甚远，究其原因主要在于传统方法得到的导电(导热)网络，是在特定的热力学和流体动力学条件下由填料在基体中通过自组装形成的，网络上填料间距无法控制，虽然在渗流区域可以通过提高填料含量快速提升复合材料的导电(导热)性能，但是由于大多聚合物基体粘度高，位阻大等影响，填料在聚合物基体中很难通过自组装形成连续紧密的导电(导热)网络，使得复合材料的导电(导热)性能与预期值相差甚远；尤其是在超过渗流区域以后，复合材料的导电(导热)性能随填料含量提高缓慢，而力学性能和加工性能却大幅下降。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种注塑成型高性能导电或导热聚合物基复合材料制件的新方法：注塑-压缩-再压缩成型方法，简称“注-压-压”方法。该方法，基于导电(导热)网络的“强制组装”方法制备高性能导电(导热)复合材料制件的工艺，通过特殊功能的注塑成型机实现。有别于常用注塑机一次注塑完全充满的模式，该方法首先向半闭合模具实行非充满定量注塑，随后进行缓慢的一次压缩至设定的位置，最后经快速的二次压缩至模具完全闭合。该方法的一次压缩用于引发导电或导热填料形成自组装网络，第二次压缩用于对自组装网络进行进一步的限域强制压缩，以得到强制组装的导电或导热网络。该方法可以用于制备具有连续紧密的导电(导热)网络的高性能导电(导热)复合材料制件。

为实现上述发明的目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于导电(导热)网络的“强制组装”方法制备高性能导电(导热)复合材料制件的“注塑-压缩-再压缩”(简称“注-压-压”)方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将导电(导热)填料与聚合物基体按0.5～60：100的质量比加入到共混设备中混合均匀，通过共混得到均相的聚合物/导电(导热)填料物料体系；

(2)将步骤(1)制备的均相物料体系加入注塑机中，经由注塑机喷嘴向半闭合模具实行非充满定量注塑；

(3)注塑模具动模部分和静模部分相对运动，减小所述模腔体积，通过机械压缩的方式对均相共混物进行缓慢的第一次压缩，以形成相对松散的自组装导电(导热)网络；

(4)注塑模具动模部分和静模部分进一步运动至完全合模，对模腔中的聚合物体系进行进一步的快速空间限域压缩并得到最终制件。在此过程中，之前得到的自组装网络受到“强制组装”，形成密实的导电(导热)网络；通过在模腔表面设置微纳结构阵列，还可以对网络上的填料进行“阵列锚固”，实现填料网络的微纳米精密组装，得到导电(导热)性能优异的复合材料制品。步骤(1)所述的导电(导热)填料为微纳米尺度的片状填料、纤维状填料、球状填料中的一种或两种以上的组合物。所述的片状填料为鳞片石墨、石墨烯或鳞片状碳粉中的一种或两种以上的组合物；纤维状填料为碳纤维、碳纳米管、碳纳米纤维或纤维状碳粉中的一种或两种以上的组合物；球状导电填料为炭黑、富勒烯、银粉、氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化铍、氮化铝、氮化硼或碳化硅中的一种或两种以上的组合物以及片状填料、纤维状填料、球状填料的一种或两种以上组合。

步骤(1)所述的聚合物基体为热塑性聚合物树脂、热固性树脂或光固化树脂等。所述的热塑性聚合物树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、尼龙、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的组合物；热固性树脂为酚醛树脂、聚二甲基硅氧烷、硫化橡胶、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚萘丙噁嗪树脂或热固性聚酰亚胺树脂中的一种或两种以上的组合物；光固化树脂为环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸脂、乙烯基醚树脂、不饱和聚酯、有机硅低聚物或聚醚丙烯酸酯中的一种或两种以上的组合物。

步骤(1)所述的共混设备包括高速混合器、超声分散仪、密炼机、各类螺杆式挤出机等。

步骤(2)所述的注塑机应具备二次或多次压缩功能。

步骤(3)所述的第一次压缩过程中，通过空间限域压缩，注塑模腔内的均相体系发生自组装成网，形成相对松散的自组装导电(导热)网络。

步骤(4)所述的第二次压缩过程中，共混物体系被进一步压缩至所需的特征厚度，在此过程中，压缩产生的“强制组装”效果使自组装网络上的填料被压实，填料的间距大幅降低，导电(导热)网络密实度大幅提高。此外，步骤(4)所述的第二次压缩过程，依据制品实际需求可进行二次及二次以上的多次压缩。

步骤(4)所述的微纳结构阵列包括V-cut结构、半球型结构、圆柱结构、棱镜结构、金字塔结构、棱锥结构或半椭圆球结构中的一种或两种以上的组合。

本发明的有益效果是：

(1)通过高速混合器、超声分散仪、密炼机或各类螺杆式挤出机等共混设备得到聚合物/导电(导热)填料均相体系，然后在一定热力学条件下通过机械压缩的方式对均相共混物进行空间限域压缩。第一次压缩过程中，通过空间限域压缩，注塑模腔内的均相体系发生自组装成网，形成相对松散的自组装导电(导热)网络。第二次压缩过程中，共混物体系被进一步压缩至所需的特征厚度，在此过程中，压缩产生的“强制组装”效果使自组装网络上的填料被压实，填料的间距大幅降低，导电(导热)网络密实度大幅提高。

(2)通过在模腔表面设置微纳结构阵列，还可以在第二次压缩过程中对网络上的填料进行“阵列锚固”，实现填料网络的微纳米精密组装，得到导电(导热)性能优异的复合材料制品。

(3)本发明涉及一种基于导电(导热)网络的“强制组装”方法制备高性能导电(导热)复合材料制件的“注塑-压缩-再压缩”(简称“注-压-压”)方法，采用本发明能够实现高性能聚合物基复合材料的高效、大批量制备。

(4)采用本发明制备的复合材料中填料形成连续紧密的导电(导热)网络，填料之间缝隙变小，尤其在锚固点，填料间距更小，在导电(导热)填料低浓度条件下复合材料可获得高导电(导热)性能。采用本发明方法制备的聚合物基导电(导热)复合材料制品可应用于电磁干扰屏蔽、可穿戴电子设备、智能生物器件、微结构散热器等诸多领域。

本发明采用新的技术路径，提出一种注塑成型高性能导电或导热聚合物基复合材料制件的新方法：“注-压-压”方法。该方法，基于导电(导热)网络的“强制组装”方法制备高性能导电(导热)复合材料制件的工艺，通过特殊功能的注塑成型机实现。由二次乃至多次压缩的“强制组装”作用及模具表面微纳结构的“阵列锚固”效果，达到提升复合材料性能的目的，最终获得具有连续密实的导电(导热)网络且兼具良好的力学和加工性能的聚合物基导电(导热)复合材料制品。

附图说明

图1平板上V-cut微结构阵列几何尺寸与排布显微图；

图2平板上半椭圆球微结构阵列几何尺寸与排布显微图；

图3微结构阵列的锚固作用示意图；

图4实验制备的复合材料部分样品实物图；

图5实施例1制备的聚二甲基硅氧烷/3wt％碳纤维+1wt％炭黑复合材料的断面扫描电镜图片；

图6实施例2制备的聚丙烯/5wt％碳纤维复合材料的光学显微图片；

图7实施例3制备的聚丙烯/15wt％碳纤维复合材料的断面扫描电镜图片；

图8实施例4制备的聚二甲基硅氧烷/60wt％碳纤维复合材料的断面扫描电镜。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

实施例1

配置碳纤维浓度3wt％，炭黑浓度为3wt％的聚二甲基硅氧烷/碳纤维+炭黑混合物料，加入哈克密炼机中混合，密炼参数为：螺杆转速50r/min密炼温度30℃密炼时间15min。将混合好的物料与PDMS固化剂按照10:1的比例混合后放入真空干燥箱中抽真空10分钟去除物料中的气泡，PDMS固化剂为八甲基环四硅氧烷，PDMS与固化剂均为道康宁公司生产。碳纤维，直径7μm，长度4mm，炭黑为ORION ENGINEERED CARBONS公司生产，型号为：XE2-B。然后将均相体系的物料加入注塑机料筒，注塑模具合模至动模与静模间距1mm，保持1min后再次压缩至设定间距200μm。模具温度设定为100℃，保持10min后开模取出制品。静模表面带有如图1所示的微结构阵列，图5为实施例1制备的复合材料横截面的扫描电镜图片。实施例1的复合材料测试电导率为910S/m。

实施例2

配置碳纤维浓度为5wt％聚丙烯/碳纤维混合物料，加入双螺杆挤出机中共混并造粒。挤出机采用十段控温，由机筒加料段至机头口模的温度依次设定为170℃、180℃、185℃、190℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、195℃，螺杆转速100r/min。选用的碳纤维直径7μm，长度4mm。然后将均相体系的物料加入注塑机料筒，注塑模具合模至动模与静模间距1mm，保持10s后再次压缩至设定间距200μm。模具温度设定为115℃，保持10s后开模取出制品。静模表面带有如图2所示的微结构阵列，图6为实施例2制备的复合材料横截面的扫描电镜图片。实施例2的复合材料测试电导率为0.11S/m。

实施例3

配置碳纤维浓度为15wt％聚丙烯/碳纤维混合物料，加入双螺杆挤出机中共混并造粒。挤出机采用十段控温，由机筒加料段至机头口模的温度依次设定为170℃、180℃、185℃、190℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、195℃，螺杆转速100r/min。选用的碳纤维直径7μm，长度4mm。然后将均相体系的物料加入注塑机料筒，注塑模具合模至动模与静模间距1mm，保持10s后再次压缩至设定间距200μm。模具温度设定为115℃，保持10s后开模取出制品。静模表面带有如图1所示的微结构阵列，图7为实施例3制备的复合材料横截面的扫描电镜图片。实施例3的复合材料测试电导率为20S/m。

实施例4

配置碳纤维浓度为60wt％的聚二甲基硅氧烷/碳纤维混合物料，加入哈克密炼机中混合，密炼参数为：螺杆转速50r/min密炼温度30℃密炼时间15min。将混合好的物料与PDMS固化剂按照10:1的比例混合后放入真空干燥箱中抽真空10分钟去除物料中的气泡，PDMS固化剂为八甲基环四硅氧烷，PDMS与固化剂均为道康宁公司生产。所用的碳纤维直径7μm，长度4mm。然后将均相体系的物料加入注塑机料筒，注塑模具合模至动模与静模间距1mm，保持1min后再次压缩至设定间距200μm。模具温度设定为100℃，保持10min后开模取出制品。静模表面带有如图1所示的微结构阵列，图8为实施例4制备的复合材料横截面的扫描电镜图片。实施例4的复合材料测试电导率为2650S/m。