CN100402607C - 水性聚氨酯基气敏导电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一类由导电碳黑填充水性聚氨酯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配方及其制造方法,该类材料利用含有极性硬段和非极性软段的水性聚氨酯作为基体与导电碳黑复合而成,由于水性聚氨酯独特的微相分离结构使得复合材料具有广谱的气敏响应特性,即在遇到各种有机溶剂气氛时复合材料的电阻迅速变化。整个制造工艺过程中及其最终产品无毒无味,属于环境友好型材料。本发明的复合材料可以检测到中华人民共和国国家职业卫生标准(GBZ 2-2002)所规定的绝大部分有机溶剂的使用极限浓度,而且具有高稳定性和重现性,可为制造气敏元器件提供基材。

Description

水性聚氨酯基气敏导电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及采用导电碳黑填充水性聚氨酯基体制备具有广谱气敏特性的导电高分子复合材料的组成配方及制造方法。
背景技术
采用导电性填料(如碳黑等)填充高分子基体所构成的具有气敏响应特性的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,其工作原理是在某种有机溶剂蒸汽中,复合材料的基体高分子因溶胀而导致原来紧密接触的导电性填料间距增大,表现为复合材料电阻增大。在此基础上采用导电填料填充聚合物共混物基体所构成的气敏导电高分子复合材料可明显的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。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。
然而,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,甚至可以忽略不计;而采用非极性的高分子作为基体所得的复合材料则限于对非极性的溶剂具有较大的响应度,而对极性的溶剂响应甚微。
发明内容
本发明的目的是提供一种水性聚氨酯基气敏导电复合材料及其制备方法,该复合材料逾渗值低,制造工艺及产品具有环保、稳定性和灵敏度高、广谱气敏响应等特性。
本发明的气敏导电复合材料含有非极性软段和极性硬段的水性聚氨酯基体A和导电碳黑B,取高分子基体的重量为100%,复合材料中各组分相对于基体的配比为:
A:100wt%,
B:0.5~25wt%,
其中A为含有非极性软段和极性硬段的微相分离结构的水性聚氨酯,B为平均粒径为15~100nm的导电碳黑。
本发明对水性聚氨酯无特殊限制,主要原料为低聚物多元醇和二异氰酸酯,以及扩链剂和中和剂。其中低聚物多元醇可为聚酯多元醇,如聚己二酸乙二醇酯二元醇(PEA)、聚己二酸-1,4-丁二醇酯二元醇(PBA)、聚ε-己内酯二醇(PCL),或聚醚多元醇,如聚氧化丙烯(PPG)、聚四氢呋喃二醇(PTHF)、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇。二异氰酸酯可为1,6-己二异氰酸酯(HDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)中的一种。上述低聚物多元醇或二异氰酸酯可以单独使用或两种混合使用。自乳化官能团引入试剂有羧酸型如二羟甲基丙酸(DMPA),磺酸盐型如乙二胺基乙酸钠,阳离子型如含叔胺基的二羟基化合物。成盐剂(中和剂)有氢氧化钠、氨水、三乙胺(TEA)。扩链剂有1,4-丁二醇(BDO)、乙二胺(EA)。
本发明导电碳黑粒径通常为15~100nm,使用前需要经过真空干燥处理。
上述复合材料是先将多种原料混合反应数小时合成水性聚氨酯预聚体,然后加入导电碳黑继续反应数小时,接下来降温加入中和剂中和,最后加去离子水乳化同时加扩链剂扩链数小时,得复合材料乳液。具体步骤及工艺如下:
①水性聚氨酯预聚体的合成:将经干燥处理的低聚物多元醇与二异氰酸酯按照6∶1~2∶1的比例加入到反应釜中,加入催化剂后,在70~120℃下反应8~14小时,所用催化剂的用量为多元醇用量的0.5%。
②在反应釜中加入预先干燥的导电碳黑继续反应8~14小时。
③降温到50℃以下,加入中和剂三乙胺中和1小时
④加入去离子水乳化,同时加入扩链剂乙二胺扩链反应3~6小时。
⑤乳液出料过滤得复合材料乳液,储存备用。
⑥乳液涂覆在电极板上室温干燥2个星期,得复合材料。
针对填充型气敏导电高分子复合材料的上述不足,本发明采用具有极性硬段和非极性软段的微相分离结构的水性聚氨酯作为基体,基体高分子链中非极性的软段易于被非极性的有机溶剂溶解或溶胀,而极性的硬段却易于被极性的有机溶剂溶解或溶胀,从而使本发明的复合材料具有对极性和非极性的有机溶剂都有较强响应的广谱气敏特性。
本发明采用具有极性硬段和非极性软段的微相分离独特结构的水性聚氨酯作为基体,类似于采用聚合物共混物基体,可大大的降低复合材料的逾渗值,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。
本发明采用环保型的水性聚氨酯作为复合材料的基体,整个合成和制造工艺过程中不需要添加其它助剂,也不需要有机溶剂,所得材料及其合成过程无毒无味,属于环境友好生产工艺。
本发明采用在基体水性聚氨酯乳化前加入导电碳黑的填充方式,让填料和聚氨酯预聚体先反应一段时间,然后再一起参与乳化过程。导电碳黑表面的活性官能团与预聚体端异氰酸酯发生化学反应,相当于导电碳黑接枝预聚体的表面改性,增加了填料与基体间的相容性,加上水性聚氨酯和导电碳黑间易形成氢键,因此,大大增强了导电碳黑与基体材料之间的相互作用力,从而改善了导电碳黑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。本发明的复合材料可以定量的检测到中华人民共和国国家职业卫生标准(GBZ 2-2002)所规定的绝大部分有机溶剂的使用极限浓度,而且具有高稳定性和重现性。
以下通过实例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1~8的配比如表1,其制备方法具体步骤如下:
1、性聚氨酯预聚体的合成:将经干燥处理的低聚物多元醇与二异氰酸酯按照6∶1~2∶1的比例加入到反应釜中,加入催化剂后,在70~120℃下反应8~14小时,所用催化剂的用量为多元醇用量的0.5%。
2、反应釜中加入预先干燥的导电碳黑继续反应8~14小时。
3、降温到50℃以下,加入中和剂三乙胺中和1小时
4、加入去离子水乳化,同时加入扩链剂乙二胺扩链反应3~6小时。
5、乳液出料过滤得复合材料乳液,储存备用。
6、乳液涂覆在电极板上室温干燥2个星期,得复合材料。
比较例1~8除导电碳黑在乳化后填充外,其它各步骤和工艺均同实施例。表2为实施例和比较例气敏性能的比较,表3为实施例7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4为实施例3对各种有机溶剂蒸气的响应试验结果与国家卫生标准的比较。
表1气敏导电高分子复合材料组成配方*
Figure C20041002673800061
*本表中合成水性聚氨酯A所用原料为聚氧化丙烯、异佛尔酮二异氰酸酯、二羟甲基丙酸、乙二胺和三乙胺,导电碳黑B粒径:50~70nm。比较例1~8除导电碳黑在乳化后填充外,其他各步骤和工艺均同实施例。
表2气敏导电高分子复合材料在正己烷饱和蒸汽中气敏性能的比较*
Figure C20041002673800062
*Rmax/Ro表征复合材料的气敏响应程度,其中Ro为起始电阻,Rmax为最大电阻。
表3气敏导电高分子复合材料(实施例7)在各种有机溶剂饱和蒸汽中气敏性能的稳定性和重现性*
Figure C20041002673800071
*表中各溶剂下方的数据为1g(Rmax/Ro),其中Rmax和Ro的定义与表2相同。
表4气敏导电高分子复合材料(实施例3)的响应能力与国家职业卫生标准的比较
Figure C20041002673800081
*数据来源:工作场所有害因素职业接触限值[中华人民共和国国家职业卫生标准(GBZ 2-2002)]
**此处用(Rmax-Ro)/Ro表征复合材料的气敏响应程度,其中Rmax和Ro的定义与表2相同。

Claims (5)

1.一种水性聚氨酯基气敏导电复合材料,其特征是含有非极性软段和极性硬段的水性聚氨酯基体A和导电碳黑B,取高分子基体的重量为100%,复合材料中各组分相对于基体的配比为:
A:100wt%,
B:0.5~25wt%,
其中A为含有非极性软段和极性硬段的微相分离结构的水性聚氨酯,B为平均粒径为15~100nm的导电碳黑。
2.一种如权利要求1所述的复合材料的制备方法,其特征在于水性聚氨酯乳化前加入导电碳黑,具体工艺过程如下:
①水性聚氨酯预聚体的合成:将经干燥处理的低聚物多元醇与二异氰酸酯按照6∶1~2∶1的比例加入到反应釜中,加入催化剂后,在70~120℃下反应8~14小时,所用催化剂的用量为多元醇用量的0.5%;
②在反应釜中加入预先干燥的导电碳黑继续反应8~14小时;
③降温到50℃以下,加入中和剂三乙胺中和1小时;
④加入去离子水乳化,同时加入扩链剂乙二胺扩链反应3~6小时;
⑤乳液出料过滤得复合材料乳液,储存备用;
⑥乳液涂覆在电极板上室温干燥2个星期,得复合材料。
3.按照权利要求2所述的复合材料的制备方法,其特征在于所说的低聚物多元醇为聚酯多元醇的聚己二酸乙二醇酯二元醇、聚己二酸-1,4-丁二醇酯二元醇、聚ε-己内酯二醇,或聚醚多元醇的聚氧化丙烯、聚四氢呋喃二醇、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇,以上几种低聚物二元醇单独使用或两种一起混合使用。
4.按照权利要求2所述的复合材料的制备方法,其特征在于所说的二异氰酸酯为1,6-己二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种。
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碳黑粒径为15~100nm,使用前需要经过真空干燥处理。
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