无定形聚苯乙烯基气敏导电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种由导电性填料填充无定形聚苯乙烯基体所构成的具有气敏响应特性的导电高分子复合材料的组成及其制备方法，该类材料利用无定形聚苯乙烯为基体与导电性填料复合而成，对与基体有一定相容性的有机溶剂蒸汽表现出较高的气敏响应特性，即在遇到许多有机溶剂气氛时复合材料的电阻会迅速发生变化。该复合材料的最终产品无毒无味，不会污染环境。本发明专利技术的复合材料对许多有机溶剂蒸汽表现出很强的灵敏性，而且具有高稳定性和重复使用性，可为制造气敏元器件提供基材。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及采用导电填料填充无定形聚苯乙烯基体制备具有高气敏特性的导电高分子复合材料的组成及制造方法。
技术介绍
以导电性填料(如碳黑等)填充聚合物基体所构成的气敏导电高分子复合材料，具有在较大范围内可调的导电性能、易于成型加工、成本低及气敏响应度高等特点。其工作原理是在某些有机溶剂蒸汽中，复合材料的基体高分子因溶胀或部分溶解而导致原来紧密接触的导电性填料间距增大，宏观表现为复合材料的电阻增加。目前用于聚合物基气敏导电复合材料的基体多为结晶或半结晶性高分子，主要原因是有研究表明，导电填料粒子不能分布于结晶区域内部，只能分布于结晶边缘，因此当聚合物结晶区域发生部分溶解或溶胀时便可以极大地影响分布于晶区边缘的导电网络，从而产生较高的气敏响应。同时结晶组分的加入可以明显降低复合材料的逾渗值，使材料在保持良好的力学性能的同时获得良好的导电性能。因此，以纯无定形聚合物为基体的气敏导电复合材料鲜有报道。此外，通过改性导电填料填充聚合物基体，可以增大导电填料与基体之间的相互作用力，从而提高材料的稳定性和重现性。通常，填充型气敏导电高分子复合材料通常只对基体高分子材料的良溶剂呈现强的气敏响应。根据相似相容的原理，极性溶剂倾向于溶解或溶胀极性的高分子，而非极性的溶剂则倾向于溶解或溶胀非极性的高分子。所以，采用极性高分子作为基体所得的复合材料只对极性溶剂有较大的响应度，而对非极性或弱极性的溶剂响应很小，反之亦然。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，由该方法制得的复合材料具有逾渗值低，稳定性好、灵敏度高、重复使用性能优异等特性。本专利技术的气敏导电复合材料含有无定形聚苯乙烯基体A和导电性填料B，取无定形聚苯乙烯基体的重量为100％，复合材料中各组分相对于基体的配比为A100wt％，B8.5～21.4wt％，其中B为平均粒径为15～100nm的碳黑、石墨、金属粉末或金属氧化物粉末，导电填料可以单独使用，也可以不同种类、不同粒径混合使用，使用前需要经过真空干燥处理。本专利技术对无定形聚苯乙烯基体无特殊限制，主要原料为苯乙烯单体。上述复合材料是先将引发剂溶解于苯乙烯单体中，然后加入导电填料进行原位聚合反应数小时，接下来降温加入稀释性溶剂，得复合材料粘液。具体步骤及工艺如下①在反应釜中加入理过的苯乙烯单体和苯乙烯单体质量的0.6wt％的引发剂，通氮气搅拌至引发剂完全溶解；引发剂为过氧化物型引发剂，如BPO等。②加入质量分数为苯乙烯单体质量的8.5wt％～21.4wt％的导电填料，通氮气搅拌10min后升温至85℃搅拌反应4h，150℃反应2h；③降温至80℃，加入适量聚苯乙烯良溶剂继续搅拌1h，冷却至室温；聚苯乙烯良溶剂为四氢呋喃、丁酮或苯，加入量为苯乙烯单体添加量的2～2.5倍。④将所得粘状物涂于自制玻璃电极板上，凉干后于室温下抽真空干燥48h，得复合材料电极。针对填充型气敏导电高分子复合材料绝大部分基体均为结晶或半结晶的事实，本专利技术采用无定形聚苯乙烯为基体，基体高分子链全部为无定形链段，易于被非极性或低极性的有机溶剂溶解或溶胀，从而使本专利技术的复合材料具有对非极性或低极性的有机溶剂表现较强响应的气敏特性。本专利技术采用聚合填充的方法，使得导电填料粒子可以更为均一的分散于聚合物基体当中，从而有效降低了复合材料的逾渗值，使复合材料在基体力学性能无损的条件下获得优良的导电性能。本专利技术的整个合成和制造工艺过程中不需要添加其它助剂，所得材料无毒无味，不会对环境造成危害。本专利技术采用聚合填充的方法，让填料和苯乙烯单体充分混合，然后再升温引发聚合，相当于单体在导电性填料的表面发生原位聚合，从而增加了填料与基体间的相容性，改善了导电性填料与高分子基体间的相互作用，最终达到改善复合材料气敏响应灵敏度和稳定性的目的。本专利技术的复合材料对大部分非极性有机溶剂的表现出较高灵敏性，而且具有高稳定性和重复使用性。附图说明图1为气敏导电高分子复合材料(实施例5)在不同饱和溶剂蒸汽中的响应能力。图1中，用Rmax/R0表征复合材料的气敏响应程度，其中Rmax和R0的定义与表2相同。以下通过实施例对本专利技术作进一步说明。具体实施例方式实施例1～7的组分配比如表1，其制备方法具体步骤如下①在反应釜中加入一定量新处理过的苯乙烯单体和0.6wt％的引发剂，通氮气搅拌至引发剂完全溶解；②按计算量加入质量分数为8.5wt％～21.4wt％的导电填料，通氮气搅拌10min后升温至85℃搅拌反应4h，150℃反应2h；③降温至80℃，加入适量聚苯乙烯良溶剂继续搅拌1h，冷却至室温；④将所得粘状物涂于自制玻璃电极板上，凉干后于室温下抽真空干燥48h，得复合材料电极。比较实施例1～7为工业品聚苯乙烯和导电填料以丁酮为溶剂溶液共混法制备。表2为实施例和比较例在四氢呋喃蒸汽中气敏性能的比较。表3为实施例5在正己烷饱和蒸气压中气敏性能稳定性和重现性的结果。表1 气敏导电高分子复合材料组成配方* *本表实施例中合成无定形聚苯乙烯A所用原料为苯乙烯，导电性填料B为碳黑(粒径50～70nm)。比较例中无定形聚苯乙烯为工业品，导电性填料B亦为碳黑，方法为溶液共混法。表2 气敏导电高分子复合材料在四氢呋喃饱和蒸汽中气敏性能的比较* *Rmax/R0表征复合材料的气敏响应程度，其中R0为起始电阻，Rmax为最大电阻。测试温度30℃。表3气敏导电高分子复合材料(实施例5)在不同饱和有机溶剂蒸汽中气敏性能的稳定性和重现性* *表中各溶剂下方的数据为1g(Rmax/R0)，其中Rmax和R0的定义与表2相同，测试温度30℃。权利要求1.一种无定形聚苯乙烯基气敏导电复合材料，其特征是含有无定形聚苯乙烯基体A和导电性填料B，取无定形聚苯乙烯基体A的重量为100％，复合材料中各组分相对于基体的配比为A100wt％，B8.5～21.4wt％，其中导电性填料B为平均粒径为15～100nm的碳黑、石墨、金属粉末或金属氧化物粉末，导电性填料可以单独使用，也可以不同种类、不同粒径混合使用。2.一种如权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征是采用聚合填充的制备方法，具体工艺过程如下①在反应釜中加入处理过的苯乙烯单体和苯乙烯单体质量的0.6wt％的引发剂，通氮气搅拌至引发剂完全溶解；②加入质量分数为苯乙烯单体质量的3wt％～31wt％的导电性填料，通氮气搅拌10min后升温至85℃搅拌反应4h，150℃反应2h；③降温至80℃，加入适量聚苯乙烯良溶剂继续搅拌1h，冷却至室温；④将所得粘状物涂于自制玻璃电极板上，凉干后于室温下抽真空干燥48h，得复合材料电极。3.按照权利要求2所述的复合材料的制备方法，其特征在于所说的引发剂为过氧化二苯甲酰BPO。4.按照权利要求2所述的复合材料的制备方法，其特征在于所说的聚苯乙烯良溶剂为四氢呋喃、丁酮或苯，加入量为苯乙烯单体添加量的2～2.5倍。5.按照权利要求2所述的复合材料的制备方法，其特征在于所说的导电性填料使用前需要经过真空干燥处理。全文摘要本专利技术涉及一种由导电性填料填充无定形聚苯乙烯基体所构成的具有气敏响应特性的导电高分子复合材料的组成及其制备方法，该类材料利用无定形聚苯乙烯为基体与导电性填料复合而成，对与基体有一定相容性的有机溶剂蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无定形聚苯乙烯基气敏导电复合材料，其特征是含有无定形聚苯乙烯基体Ａ和导电性填料Ｂ，取无定形聚苯乙烯基体Ａ的重量为１００％，复合材料中各组分相对于基体的配比为：Ａ：１００ｗｔ％，Ｂ：８．５～２１．４ｗｔ％，其中导电性填料Ｂ为平均粒径为１５～１００ｎｍ的碳黑、石墨、金属粉末或金属氧化物粉末，导电性填料可以单独使用，也可以不同种类、不同粒径混合使用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：章明秋，李军荣，许家瑞，容敏智，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]