一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：将CNTs与PP粒料置于烘箱中烘干水分，再于微型双螺杆挤出机中熔融共混并挤出造粒，得到PP/CNTs粒料；将PP/CNTs粒料加入三层共挤吹膜机的中间层加料口内，PP粒料分别加入三层共挤吹膜机的内层加料口和外层加料口内，于三层共挤吹膜机中熔融挤出吹膜，用三层共挤吹膜机上的收集辊收集成卷，得到具有“三明治结构”的复合膜；裁剪所得的“三明治结构”的复合膜，进行叠加后于真空压膜机中热压成型，得到具有交替多层结构的各向异性导电高分子复合材料。该方法环境友好，工艺简单，成本低廉，易于控制，生产效率高，解决了现有制备方法中难以规模化、低成本生产ACPCs的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法
本专利技术属于新型导电高分子材料加工制备
，具体涉及一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法。
技术介绍
各向异性导电高分子复合材料(简称ACPCs)具有独特的导电各向异性，即电导率(或电阻率)在三个维度(X、Y和Z)方向上存在差异。随着电子信息化时代的到来，ACPCs因其结合了聚合物质轻、易于加工成型等独特优点以及导电纳米填料优异的力学、电学、热学等物理特征，备受人们的青睐，广泛应用于封装连接、电子元件、光学元件、显示器等领域。一般常用X方向的电导率或(Z方向的电阻率)与Z方向的电导率或(X方向的电阻率)来表示复合材料的导电各向异性强度。目前，制备ACPCs的方法主要分为两类，一类是基于溶液混合的方法，包括静电纺丝法、磁场诱导法和电场诱导法以及填料预取向法；另一类是基于熔体共混的方法，比如多层共挤、剪切流场诱导自组装以及高速薄壁注塑法。以上所述的这些方法中，都不可避免的具有制备方法复杂、使用化学试剂、成本高、并且制备得到的ACPCs导电各向异性强度较低、样品尺寸小，难以大规模生产应用等缺点，所以这些方法跟实际的工业生产相差甚远，不利于指导工业生产。因此，开发一种基于环境友好，利用通用的加工方法来制备成本低、导电各向异性显著、电导率高的ACPCs的制备方法成为亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，该方法环境友好，工艺简单，成本低廉，易于控制，生产效率高，解决了现有制备方法中难以规模化、低成本生产ACPCs的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将CNTs与PP粒料置于烘箱中烘干水分，然后置于微型双螺杆挤出机中熔融共混并挤出造粒，得到含CNTs质量分数为1～15％的PP/CNTs粒料；所述CNTs为多壁碳纳米管，其直径为5～15nm，长度为10～30μm；步骤2：将步骤1所得的PP/CNTs粒料加入三层共挤吹膜机的中间层加料口内，PP粒料分别加入三层共挤吹膜机的内层加料口和外层加料口内，于三层共挤吹膜机中熔融挤出吹膜，用三层共挤吹膜机上的收集辊收集成卷，得到具有“三明治结构”的复合膜；步骤3：裁剪步骤2所得的“三明治结构”的复合膜，进行叠加后于真空压膜机中热压成型，得到具有交替多层结构的各向异性导电高分子复合材料。进一步地，步骤1中所述烘箱的温度为30～60℃，烘干时间为12～24h。进一步地，步骤1中所述微型双螺杆挤出机的挤出温度为180～200℃，螺杆转速为30～50rpm/min。进一步地，步骤2中所述PP/CNTs粒料与PP粒料的质量比为0.2～3：1。进一步地，步骤2中所述三层共挤吹膜机的挤出温度为180～220℃，螺杆转速为10～40rpm/min，所述三层共挤吹膜机上收集辊的转速为15～30cm/min。进一步地，步骤3中所述真空压膜机热压温度为160～180℃，热压时间为5～20min，压力为50～200MPa。进一步地，步骤3中所述“三明治结构”的复合膜叠加的层数为1～100层。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术通过“挤出造粒—三层吹膜成型—真空热压成型”三步简单熔融共混法构筑出的形貌规则、层数可控的ACPCs，其导电微层和绝缘微层交替排列，每个微层的厚度基本保持均匀一致，且不存在明显的分层、熔并等结构缺陷，三层复合膜之间界面结合良好，形成了完善的PP-PP/CNTs-PP交替多层结构。2.本专利技术制备得到的ACPCs具有显著的导电各向异性和良好的导电性，并且交替多层结构对ACPCs的综合力学性能有提高作用；其各向异性强度可达到1016数量级，这在现有已知的碳系ACPCs中并不多见。3.本专利技术制备方法采用了简单通用的高分子材料加工设备，在加工过程中没有添加任何有毒有害溶剂，环境友好，工艺简单，成本低廉，易于控制，生产效率高，解决了现有制备方法中难以规模化、低成本生产ACPCs的问题。4.本专利技术中“三明治结构”的复合膜的导电微层采用PP/CNTs粒料，绝缘微层采用PP粒料，二者均含有PP粒料，在复合膜形成过程中属于同质复合，不易产生分层、相迁移等结构缺陷；“三明治结构”的复合膜采用三层吹膜成型的过程是一个双向拉伸的过程，即轴向(挤出方向)和径向(吹胀方向)拉伸，相对常规单向拉伸的挤出热拉伸方法来说，“三明治结构”的复合膜的厚度可以更容易通过收集辊转速和吹胀比来调控，进而所制备的ACPCs的形态结构及导电性能可通过层数、PP/CNTs粒料中CNTs的质量分数进行调控，因此，可以扩展该种材料的适应范围，满足不同领域的使用要求。附图说明图1为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料的制备过程示意图，其中1-a为三层吹膜成型；1-b为“三明治结构”的复合膜；1-c为真空热压成型；1-d为具有交替多层结构的各向异性导电复合材料。图2为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料随“三明治结构”的复合膜叠加层数不同时的偏光显微镜照片，其中2-a为1层；2-b为10层；2-c为30层；2-d为50层，标尺均为500μm。图3为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料随“三明治结构”的复合膜叠加层数不同时的扫描电子显微镜照片，其中3-a为1层；3-b为10层；3-c为30层；3-d为50层，标尺均为40μm。图4为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料沿X方向、Y方向和Z方向的电导率图。图5为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料的各向异性强度随“三明治结构”的复合膜叠加层数不同时的变化曲线。图6为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料在X方向上随“三明治结构”的复合膜叠加层数不同时的伏安特性曲线。图7为本专利技术一种各向异性导电高分子复合材料随“三明治结构”的复合膜叠加层数不同时的应力-应变曲线。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限定本专利技术的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。本专利技术实施例中所用的CNTs为多壁碳纳米管TNIM1(中国科学院成都有机化学有限公司)，CNTs可以由炭黑、碳纤维、石墨烯或金属粉末代替；PP为聚丙烯4280(法国道达尔公司)，PP可以由聚乙烯等高分子材料代替。“三明治结构”的复合膜可分为X方向、Y方向和Z方向，分别对应于挤出方向、吹胀方向和厚度方向。本专利技术实施例中所用到的烘箱型号为ZKSFB-1，购自上海树立仪器仪表有限公司；微型双螺杆挤出机的型号为SJSZ-10A，购自武汉市瑞鸣塑料机械有限公司；三层共挤吹膜机的型号为SCM50，购自张家港市联江机械有限公司；真空压膜机的型号为Y002，购自郑州工匠机械设备有限公司。实施例1如图1制备过程所示，一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)挤出造粒：将10gCNTs与990gPP粒料置于烘箱中在50℃、烘干12烘干水分，然后置于微型双螺杆挤出机中熔融共混并挤出造粒，得到含CNTs质量分数为1％的PP/CNTs粒料；所述CNTs为多壁碳纳米管，其直径为5～15nm，长度为10～30μm；所述微型双螺杆挤出机的挤出温度为190℃，螺杆转速为40r本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将CNTs与PP粒料置于烘箱中烘干水分，然后置于微型双螺杆挤出机中熔融共混并挤出造粒，得到含CNTs质量分数为1~15%的PP/CNTs粒料；所述CNTs为多壁碳纳米管，其直径为5~15nm，长度为10~30μm；步骤2：将步骤1所得的PP/CNTs粒料加入三层共挤吹膜机的中间层加料口内，PP粒料分别加入三层共挤吹膜机的内层加料口和外层加料口内，于三层共挤吹膜机中熔融挤出吹膜，用三层共挤吹膜机上的收集辊收集成卷，得到具有“三明治结构”的复合膜；步骤3：裁剪步骤2所得的“三明治结构”的复合膜，进行叠加后于真空压膜机中热压成型，得到具有交替多层结构的各向异性导电高分子复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将CNTs与PP粒料置于烘箱中烘干水分，然后置于微型双螺杆挤出机中熔融共混并挤出造粒，得到含CNTs质量分数为1~15%的PP/CNTs粒料；所述CNTs为多壁碳纳米管，其直径为5~15nm，长度为10~30μm；步骤2：将步骤1所得的PP/CNTs粒料加入三层共挤吹膜机的中间层加料口内，PP粒料分别加入三层共挤吹膜机的内层加料口和外层加料口内，于三层共挤吹膜机中熔融挤出吹膜，用三层共挤吹膜机上的收集辊收集成卷，得到具有“三明治结构”的复合膜；步骤3：裁剪步骤2所得的“三明治结构”的复合膜，进行叠加后于真空压膜机中热压成型，得到具有交替多层结构的各向异性导电高分子复合材料。2.根据权利要求1所述的一种各向异性导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述烘箱的温度为30~60℃，烘干时间为12~24h。3.根据权利要求1所述的一种各...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国强，赵康，史红辉，成肖鹏，潘亚敏，代坤，刘春太，鲁智力，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41