一种居里温度可调的聚合物基PTC复合材料及其制备制造技术

本发明专利技术涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种居里温度可调的聚合物基PTC电热材料及其制备。本发明专利技术提供一种聚合物基PTC复合材料，所述电热材料包括聚烯烃和导电填料，其中，所述导电填料为具有表面微纳结构的镍粒子。本发明专利技术所得聚合物基PTC复合材料由于居里温度远低于熔点，发生PTC效应时体积膨胀较小，可以应用于对形变要求严格的场景。对形变要求严格的场景。对形变要求严格的场景。

【技术实现步骤摘要】
一种居里温度可调的聚合物基PTC复合材料及其制备


[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种居里温度可调的聚合物基PTC电热材料及其制备。

技术介绍

[0002]随着聚合物基导电复合材料(Conductive Polymer Composite)在工业生产及日常生活中的应用越来越广泛，聚合物基PTC材料作为自限温电热材料受到人们的广泛关注及研究，这种材料的特点是当温度达到其居里温度时，材料体积膨胀，使导电通路破坏，材料由导体转变为绝缘体，材料停止加热，当温度低于居里温度时，材料恢复导电，继续加热，最终实现材料温度稳定在略低于居里温度。
[0003]目前使用的聚合物基PTC材料居里温度略低于熔点，例如，Liu等人制备了高密度聚乙烯(HDPE)/热塑性弹性体(TPE)/石墨烯纳米片(GNP)电热复合材料，其居里温度在100℃～120℃，略低于HDPE熔点(Y.Liu et al.Journal of Materials Chemistry C.2018,6(11),2760
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2768)。这种PTC电热材料居里温度受限于熔点，且相变体积膨胀效应明显，限制了PTC电热材料的应用场景，因此寻找一种居里温度可调且远低于熔点的PTC电热材料是很有必要的。

技术实现思路

[0004]针对目前聚合物基PTC电热材料受限于熔点导致其应用范围受局限的问题，本专利技术提供一种居里温度远低于熔点且居里温度可调控的PTC电热材料。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物基PTC复合材料，所述电热材料包括聚烯烃和导电填料，其中，所述导电填料为具有表面微纳结构的镍粒子。
[0007]所述具有表面微纳结构的镍粒子指：粒子表面具有微米级和纳米级尖刺状突起结构的镍粒子；该尖刺状突起的密度可调节；换言之，即所述导电填料为具有突起结构的海胆状镍粒子。
[0008]进一步，所述聚合物基PTC复合材料能够实现居里温度远低于熔点：聚合物基PTC复合材料的起始熔融温度
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聚合物基PTC复合材料的居里温度≥20℃。
[0009]进一步，上述聚合物基PTC复合材料中，复合材料的逾渗阈值≤导电填料的体积分数≤复合材料的逾渗阈值+10vol％，其中，复合材料的逾渗阈值指能够使复合材料具备导电性(电阻率<106Ωcm)的最低填料含量。导电填料的体积分数指导电填料占总的复合材料(包含聚烯烃和镍粒子)的体积百分数。
[0010]进一步，所述聚烯烃为聚乙烯或聚丙烯。
[0011]优选的，所述的聚烯烃为聚乙烯。
[0012]更优选的，所述聚乙烯为：低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或双峰聚乙烯(BPE)。
[0013]进一步，当所述聚烯烃为聚乙烯，导电填料的添加量为聚烯烃体积分数的25vol％～35vol％。
[0014]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述聚合物基PTC复合材料的制备方法，所述制备方法为：先将聚烯烃粒料或粉料与导电填料熔融共混，然后热压成型即可；其中，所述导电填料为具有表面微纳结构的镍粒子。
[0015]进一步，所述热压成型的条件为：温度160～200℃，压力5～20MPa。
[0016]本专利技术要解决的第三个技术问题是提供一种调控聚合物基PTC复合材料居里温度的方法，所述方法为：以聚烯烃为基体，表面具有微米级和纳米级尖刺状凸起结构的镍粒子为导电填料，将基体和导电填料通过熔融共混法制备聚合物基复合材料，通过选择不同的聚烯烃能够实现对聚合物基PTC复合材料居里温度的调控。
[0017]进一步，当所述聚烯烃为聚乙烯时，所述调控聚合物基PTC复合材料居里温度的方法为：
[0018]当选择低密度聚乙烯为基体时，35℃<所得聚合物基PTC复合材料的居里温度<40℃；
[0019]当选择双峰聚乙烯为基体时，60℃<所得聚合物基PTC复合材料的居里温度<70℃；
[0020]当选择高密度聚乙烯为基体时，70℃<所得聚合物基PTC复合材料的居里温度<80℃。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术所得聚合物基PTC复合材料由于居里温度远低于熔点，发生PTC效应时体积膨胀较小，可以应用于对形变要求严格的场景；
[0023](2)本专利技术可实现聚合物基PTC复合材料居里温度的可调控，由于居里温度可调控，可根据需求选择合适的聚烯烃树脂作为基体，设计制备居里温度不同的电热材料，应用前景更为宽广。
附图说明：
[0024]图1(a)为本专利技术实施例1～3中所使用的镍粒子，图1(b)、图1(c)和图1(d)分别为本专利技术实施例1～3中LDPE/Ni、BPE/Ni和HDPE/Ni复合材料的扫描电子显微镜图像；由图1(a)可知：本专利技术选用的镍粒子表面具有多级结构，呈现褶皱的样貌；由图1(b)～(d)可知：镍粒子在三种聚乙烯基体中分散均匀，没有表现出明显的团聚。
[0025]图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为本专利技术实施例1～3所得LDPE/Ni、BPE/Ni和HDPE/Ni复合材料的电阻率随温度变化曲线图及相应的差示扫描量热曲线图；由图2可知：LDPE熔点约109℃，BPE熔点约125℃，HDPE熔点约135℃；三种复合材料呈现出明显不相同的PTC行为，且均表现出远低于熔点的居里温度，其中LDPE/Ni居里温度约为40℃，BPE/Ni居里温度约为70℃，HDPE/Ni居里温度约80℃；这一结果表明，复合材料表现出居里温度的可调节性；由于三种复合材料的居里温度均远低于熔点，因此其PTC效应可能与室温至熔点范围内基体的某种力学性能转变有关。
[0026]图3(a)、图3(b)和图3(c)分别为本专利技术实施例1～3所得LDPE/Ni、BPE/Ni和HDPE/Ni复合材料的损耗角正切随温度变化曲线图及相应的电阻率随温度变化曲线；由图3可知：三种复合材料在室温至熔点范围内的动态力学损耗随温度升高呈现的变化趋势不同，说明
三者具有不同的α松弛行为；且α峰(或肩部)温度与居里温度一致，说明α松弛引起的体积膨胀是导致PTC效应的原因。
[0027]图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为本专利技术实施例1～3所得LDPE/Ni、BPE/Ni和HDPE/Ni复合材料在施加不同直流电压时的表面温度随时间变化曲线；由图4可知：三种复合材料均表现出稳定的电热性能，同时具有高的升降温速率，各复合材料在不同电压下均在2min内达到稳定温度，断开电源后复合材料可以在2min内降温到接近室温。
[0028]图5(a)、图5(b)和图5(c)分别为本专利技术实施例1～3所得LDPE/Ni、BPE/Ni和HDPE/Ni复合材料在电热工作过程中以梯度升温方式模拟外部热失控条件下的过热保护功能；由图5可知：未施加外部热源时，三种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述电热材料包括聚烯烃和导电填料，其中，所述导电填料为具有表面微纳结构的镍粒子。2.根据权利要求1所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述具有表面微纳结构的镍粒子指：粒子表面具有微米级和纳米级尖刺状突起结构的镍粒子。3.根据权利要求1或2所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述聚合物基PTC复合材料能够实现居里温度远低于熔点：聚合物基PTC复合材料的起始熔融温度
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聚合物基PTC复合材料的居里温度≥20℃。4.根据权利要求1或2所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述聚合物基PTC复合材料中，复合材料的逾渗阈值≤导电填料的体积分数≤复合材料的逾渗阈值+10vol％，其中，复合材料的逾渗阈值指能够使复合材料具备导电性的最低填料含量。5.根据权利要求1或2所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述聚烯烃为聚乙烯或聚丙烯。6.根据权利要求5所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，所述的聚烯烃为聚乙烯；进一步，所述聚乙烯为：低密度聚乙烯、高密度聚乙烯或双峰聚乙烯。7.根据权利要求6所述的一种聚合物基PTC复合材料，其特征在于，当所述聚烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正英，刘仁鹏，杜天龙，杨伟，杨鸣波，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：