碳基复合导电颗粒制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种碳基复合导电颗粒制备方法，是将不同形状和结构的石墨、导电炭黑、石墨烯和碳纳米管按配比在复合搅拌作用下充分交错、抛散、解聚、接触、分散及有序混合，形成碳基导电混合粉体；然后采用等离子体活化烧结法使粉体活化、预聚，使粉体颗粒接触面间的绝缘层并产生应变；再将有机表面改性剂加入到所述碳基导电混合粉体内，得到半杂化的有机活性碳基混合导电颗粒通过有机粘结剂进一步聚集成型，造粒撮合流化成球形颗粒，最后通过高温烧结处理使有机物进一步缩聚及碳化，得到高密度碳包覆复合导电颗粒。本发明专利技术可大大提高颗粒的导电性能，体积电阻率降低到1.0Ω.cm以下，同时可降低材料成本。本发明专利技术还提供了上述碳基复合导电颗粒的应用。合导电颗粒的应用。合导电颗粒的应用。

【技术实现步骤摘要】
碳基复合导电颗粒制备方法和应用


[0001]本专利技术属于导电材料
，具体涉及一种碳基复合导电颗粒及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]导电碳颗粒能够具有高导电性是与其自身材料特性密切相关的，主要包括比表面积、多孔结构、材料导电性以及表面官能团等，其中与电子传递能力有关的特性（导电性、表面官能团）被认为是促进不同颗粒间电子互营关系的最相关的特性。多孔导电碳颗粒一方面可以发挥自身的导电性为相聚较远的颗粒传递电子，而且碳表面地活性官能团也可通过电势差驱动不同碳基材料种间电荷传导传递。另一方面，通过表面多孔结构地吸附和固定地作用，可促运动的带电纳米级颗粒，在多孔碳材料地内部实现接触和联系，间接地促进了不同碳基颗粒间的电子传递，多空结构也有利于构建了不同碳基颗粒间电子传递途径的多重关联。
[0003]传统碳基导电材料包括导电炭黑、导电石墨、碳纤维等，成本低廉，化学性质稳定，电阻稳定性好，但因其电阻率高及耐湿热性差等问题，已经不能满足现代电子技术的发展，仅用于屏蔽和防静电产品中。而且，有机无机杂化的导电材料因为绝缘性的有机聚合网络的存在而使体系的导电性能大大降低，电阻仍然很大，多数电阻在102级以上，因此如何降低有机无机杂化复合材料的电阻及提高导电性能，已成为制约导电复合材料应用的技术瓶颈。
[0004]自从1991年碳纳米管(CNTs)被日本科学家Iijima发现以来，一直是研究的热点，被认为是最有应用前景的材料之一，由于具有许多出众的物理化学性质以及独特的电子导电性，它与乙炔黑(AB)、石墨等相比具有更高的电子导电。然而在导电碳纳米管分粉体制备中一般会存在无定形的碳杂质，如石墨片和碳颗粒，这些无定形碳影响碳纳米管的导电性能。
[0005]石墨烯为目前世界上电阻率最小的材料，其导电性优异、厚度最薄、强韧性好以及纳米片层结构等特点都决定了石墨烯可作为优质导电填料。然而在石墨烯实际制备或加工过程中会出现结晶质量差、结构缺陷及层间电阻大等问题，致使其导电性会变差。
[0006]因此，有必要解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种碳基复合导电颗粒的制备方法。
[0008]本专利技术提供的碳基复合导电颗粒制备方法，包括下述步骤：S1 将不同形状、不同结构的石墨、导电炭黑、石墨烯和碳纳米管原料按配比置于混合机内，在复合搅拌作用下使各原料充分交错、抛散、解聚、接触、分散及有序混合，形成碳基导电混合粉体；
S2 采用等离子体活化烧结法将所述碳基导电混合粉体通过紫外光照射，使所述碳基导电混合粉体表面产生活化自由基，击穿所述碳基导电混合粉体颗粒接触面间的绝缘层并产生应变；S3 将有机表面改性剂加入到所述碳基导电混合粉体内，渗透或嵌入所述碳基导电混合粉体的表面、缝隙或隧道层内部，使所述碳基导电混合粉体表面活性点与有机分子上极性单元发生物理及化学作用，得到半杂化的有机活性碳基混合导电颗粒；S4 将半杂化的所述有机活性碳基混合导电颗粒采用造粒方式通过有机粘结剂黏合成一定粒径的碳球，并通过加热干燥使所述碳球发生缩聚或醚化反应，得到致密的杂化碳基混合导电颗粒；S5 将所述杂化碳基混合导电颗粒在一定温度下进行烧结处理，使得颗粒间存在的有机分子进一步缩聚、脱氧及部分碳化，得到高密度碳包覆复合导电颗粒。
[0009]本专利技术还提供了上述所述的碳基复合导电颗粒制备方法制备的产品的应用，可用于锂离子电池制造及废旧锂离子电池回收等领域。
[0010]本专利技术是以多种超微碳基材料为导电主料，先将四种不同的碳基材料进行有序物理共混及等离子体烧结处理，然后以有机粘结剂为活性碳连接点，进行表面有机活化处理，并通过有机粘结剂有机分子链上活性量子点形成更紧密的强键作用及杂化预聚体，造粒成型及干燥处理制得内部碳结构有序的碳球，在加热烧结后包裹在超微碳基颗粒表面的有机分子发生进一步缩聚或醚化及脱水脱氧反应，有机活性分子成为超薄碳层包覆在碳颗粒上。通过上述方法制备的碳基复合导电颗粒之间距离变小，不同形状碳基导电颗粒有机结合成为致密的三维碳链空间结构，导电通道因为超薄碳层包裹而更为畅通，大大提高复合颗粒的整体导电性能，体积电阻率降低到1.0Ω.cm以下。
[0011]本专利技术具有工艺简单、固含量高、成本低、易产业化等特点。
附图说明
[0012]图1为本专利技术碳基复合导电颗粒制备方法实施例流程框图。
具体实施方式
[0013]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0014]参见图1，本专利技术首先提供了碳基复合导电颗粒制备方法，包括下述步骤：S1 将不同形状、不同结构的石墨、导电炭黑、石墨烯和碳纳米管按配比置于混合机内，在复合搅拌作用下使各原料充分交错、抛散、解聚、接触、分散及有序混合，形成碳基导电混合粉体。
[0015]本步骤选用下述原料：石墨35～55wt%；导电炭黑28～52%；碳纳米管1.0～2.5wt%；石墨烯1.0～2.5wt%。
[0016]上述原料中，石墨的导电性取决于石墨的含碳量、颗粒大小，本专利技术选用的石墨原料含碳量在90%以上的颗粒，粒径为2.5～10μm，比电阻0.35Ω.cm。所述导电炭黑的导电性能与炭黑的结构有关，本专利技术选用的导电炭黑是以空壳高链状结构所组成，利用其絮聚集
体构成的网状结构使得其本身具有特高的导电性能，其导电炭黑颗粒粒径为35～45nm，电阻率＜1.5Ω
·
m。选用的片状石墨烯是以sp
²
杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构材料，具有独特晶体结构及高稳定性，强度高、韧性好，常温下其电子迁移率超过1.5
×
104cm2/(V
·
s),比纳米碳管或硅晶体高，电阻率为10
～6
Ω
·
cm，其片径<1μm、厚度<10nm。选用的多壁碳纳米管既具有极高的强度和极大的韧性，又具有金属材料的导电和导热性，其碳纳米管原料直径为12～20nm，长度为15～30μm。
[0017]上述原料中，石墨烯和碳纳米管的加入量不高于5%，一方面基于石墨烯和碳纳米管较高的市场价格，另一方面，石墨烯和碳纳米管配比高于5%时，导电性能反而降低。采用上述配比，既可以保证制备的碳基复合导电颗粒整体导电性能，又可降低碳基复合导电颗粒原料成本。
[0018]本步骤将不同形状、不同结构的导电石墨颗粒和导电炭黑颗粒、片状石墨烯及管状碳纳米管按配比混合在一起，充分利用上述原料各自形状特点和性能特点，在保证后续制备的复合导电颗粒高导电性能的同时，平衡成本和导电性之间的互效关系，以降低体系整体成本，进一步将各原料投入犁刀混合器内，利用犁刀和飞刀高速旋转及剪切搅拌和强力抛散以提高各原料之间的结合性能，使上述不同形状、不同结构的原料在后续复合导电颗粒制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基复合导电颗粒制备方法，其特征在于，包括下述步骤：S1 将不同形状、不同结构的石墨、导电炭黑、石墨烯和碳纳米管原料按配比置于混合机内，在复合搅拌作用下使各原料充分交错、抛散、解聚、接触、分散及有序混合，形成碳基导电混合粉体；S2 采用等离子体活化烧结法将所述碳基导电混合粉体通过紫外光照射，使所述碳基导电混合粉体表面产生活化自由基，击穿所述碳基导电混合粉体颗粒接触面间的绝缘层并产生应变；S3 将有机表面改性剂加入到所述碳基导电混合粉体内，渗透或嵌入所述碳基导电混合粉体的表面、缝隙或隧道层内部，使所述碳基导电混合粉体表面活性点与有机分子上极性单元发生物理及化学作用，得到半杂化的有机活性碳基混合导电颗粒；S4 将半杂化的所述有机活性碳基混合导电颗粒采用造粒方式通过有机粘结剂黏合成一定粒径的碳球，并通过加热干燥使所述碳球发生缩聚或醚化反应，得到致密的杂化碳基混合导电颗粒；S5 将所述杂化碳基混合导电颗粒在一定温度下进行烧结处理，使得颗粒间存在的有机分子进一步缩聚、脱氧及部分碳化，得到高密度碳包覆复合导电颗粒。2.根据权利要求1所述的碳基复合导电颗粒制备方法，其特征在于，包括下述重量百分比的原料：石墨35～55wt%；导电炭黑28～52%；石墨烯1.0～2.5wt%；碳纳米管1.0～2.5wt%；有机表面改性剂：1.5
‑
5.0wt%，有机粘结剂：3
‑
12wt%；其中所述石墨粒径2.5～10μm；所述导电炭黑粒径35～45nm，电阻率＜1.5Ω
·
m；所述石墨烯片径<1μm，厚度<10nm；所述多壁碳纳米管直径：12～20nm，长度：15～30μm。3.根据权利要求1或2所述的碳基复合导电颗粒制备方法，其特征在于，所述S1步骤中的复合搅拌是采用犁刀和飞刀剪切搅拌和强力抛散，其中所述飞刀搅拌速度为1200～1600rpm，所述犁刀搅拌速度为70～100rpm，搅拌时间20～40min。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建军，张维丽，田勇，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，
类型：发明
国别省市：