CN100419028C - 兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料 - Google Patents

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本发明公开了一种兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料。本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料包含聚合物、可膨胀石墨和膨胀石墨。其中，可膨胀石墨和膨胀石墨的质量分数可以为5%～40%，可膨胀石墨的质量分数可以为2%～30%，膨胀石墨的质量分数可以为2%～20%。本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料中可以同时包含有红磷、聚磷酸铵和磷酸三乙酯等辅助阻燃剂。本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料的添加剂总用量低，可以兼具优良的导电性能和阻燃性能，同时成本低，易于推广应用。

Description

兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料
一、技术领域
本发明涉及一种聚合物基复合材料，特别是涉及一种兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料。
二、背景技术
聚合物基多功能复合材料是聚合物改性的研究开发热点。兼具导电和阻燃两种功能的聚合物基复合材料具有广泛的应用领域，是重要的聚合物基多功能复合材料。
大多数聚合物都是电绝缘材料和易燃材料，聚合物要达到导电的目的，最常用和简便的途径是在聚合物基体中复合导电填料，比如金属粉末、金属纤维、炭黑、石墨等。而聚合物要达到阻燃的目的，最常用和简便的途径是在聚合物基体中复合阻燃剂，比如卤系阻燃剂、有机磷系阻燃剂、无机阻燃剂等。
制备兼具导电和阻燃两种功能的聚合物基复合材料需要同时复合导电填料和阻燃剂。但同时复合传统的导电填料和传统的阻燃剂两种添加剂时，复合的导电填料和阻燃剂的总体积分数将很大才能同时具有优良的导电和阻燃性能，因此复合材料的力学性能将很差，同时产品成本高，因此其应用领域将受到严重制约。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种添加剂总用量少且导电性能和阻燃性能优异、产品成本低的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料。
实现本发明的目的的技术方案为：一种兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，包含聚合物、可膨胀石墨和膨胀石墨，其中可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数可以为5％～40％，可膨胀石墨的质量分数可以为2％～30％，膨胀石墨的质量分数为2％～20％。
对于本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数以在10％～35％之间为优选，可膨胀石墨的质量分数以在5％～25％之间为优选，膨胀石墨的总质量分数以在3％～15％之间为优选。
本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料中还可以包含有辅助阻燃剂。辅助阻燃剂可以是卤系阻燃剂、有机磷系阻燃剂、氮系阻燃剂和无机阻燃剂等。其中，红磷、聚磷酸铵和磷酸三乙酯可以作为辅助阻燃剂，它们作为辅助阻燃剂时，用量为可膨胀石墨质量的1～3倍。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明使用的膨胀石墨可以以纳米级石墨晶片形式分散复合到聚合物基体中，容易形成立体的导电网络，因此在用量低的情况下即可使复合材料获得优良的导电功能；(2)本发明使用的可膨胀石墨是阻燃性能优异的阻燃剂，同时又是一种导电填料，而膨胀石墨在发挥导电功能的同时也具有一定的阻燃功能，因此本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料可以在添加剂(包括阻燃剂和导电填料)总用量不太高的情况下同时获得优良的阻燃和导电功能，力学性能可以较好；(3)本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料采用的阻燃剂和导电填料都为价格低廉的石墨产品，因此其成本低，易于推广应用。
四、具体实施方式
本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，包含聚合物、可膨胀石墨和膨胀石墨，其中可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数可以为5％～40％，可膨胀石墨的质量分数可以为2％～30％，膨胀石墨的质量分数可以为2％～20％。
本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料中的可膨胀石墨为阻燃剂，它受到高热作用可迅速发生高倍膨胀，如膨胀200～300倍，属于膨胀型阻燃剂。膨胀石墨是可膨胀石墨受到高热作用而膨胀得到的蠕虫状石墨，石墨晶片片层已被膨胀撑开，石墨晶片片层间距大，通过原位聚合复合法、溶液插层复合法和熔体插层复合法等方法可以使膨胀石墨以纳米级石墨晶片形式分散复合到聚合物基体中，形成纳米导电复合材料。
对于本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数以在10％～35％之间为优选，可膨胀石墨的质量分数以在5％～25％之间为优选，膨胀石墨的质量分数以在3％～15％之间为优选。
本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料中，为了提高阻燃性能和减少可膨胀石墨的用量，可以添加与可膨胀石墨具有协同阻燃作用的辅助阻燃剂。辅助阻燃剂可以是卤系阻燃剂、有机磷系阻燃剂、氮系阻燃剂和无机阻燃剂等。其中，红磷、聚磷酸铵和磷酸三乙酯是较好的辅助阻燃剂，它们作为辅助阻燃剂时，用量为可膨胀石墨质量的1～3倍。
本发明兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料的聚合物基体，可以是热塑性聚合物，也可以是热固性聚合物。聚合物基体可以是单一聚合物，也可以是聚合物混合物。
实施例1
将900℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于900℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。按膨胀石墨∶苯乙烯质量比为6∶94的比例，将膨胀石墨和苯乙烯混合均匀，并加入适量的过氧化苯甲酰引发剂，然后使苯乙烯进行悬浮聚合，得到聚苯乙烯/膨胀石墨复合物。最后，将聚合得到的聚苯乙烯/膨胀石墨复合物与可膨胀石墨按3∶1的质量比进行熔体混合，得到聚苯乙烯/石墨功能复合材料，其体积电导率为3.1×10-4s/cm，氧指数为30.5。
实施例2
将300℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于300℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。按膨胀石墨∶苯乙烯质量比为8∶92的比例，将膨胀石墨和苯乙烯混合均匀，并加入适量的过氧化苯甲酰引发剂，然后使苯乙烯进行悬浮聚合，得到聚苯乙烯/膨胀石墨复合物。最后，将聚合得到的聚苯乙烯/膨胀石墨复合物与可膨胀石墨按85∶15的质量比进行熔体混合，得到聚苯乙烯/石墨功能复合材料，其体积电导率为2.4×10-4s/cm，氧指数为29.0。
实施例3
将300℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于300℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。按膨胀石墨∶可膨胀石墨∶苯乙烯∶甲苯质量比为7∶8∶85∶100的比例，将膨胀石墨、可膨胀石墨、苯乙烯和甲苯混合均匀，并加入适量的过氧化苯甲酰引发剂，将混合物置于60℃的超声波水浴中超声处理直到苯乙烯完全聚合，充分蒸发除去甲苯即得到聚苯乙烯/石墨功能复合材料，其体积电导率为6.4×10-4s/cm，氧指数为24.0。
实施例4
将900℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于900℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。按膨胀石墨∶可膨胀石墨∶甲苯质量比为10∶15∶225的比例，将可膨胀石墨、膨胀石墨加入甲苯中制成250份悬浮分散液。按聚丙烯∶马来酸酐接枝聚丙烯∶甲苯质量比为9∶1∶90的比例，将聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯溶于甲苯中配制750份溶液，将上述250份膨胀石墨和可膨胀石墨的甲苯悬浮分散液加入其中混匀，加热回流5h，停止加热，负压蒸馏脱出部分甲苯溶剂，待温度降至约60℃，加入乙醇沉淀剂使产物析出，抽滤，真空干燥，即得到聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯/石墨功能复合材料，其体积电导率为3.2×10-3s/cm，氧指数29.5。
实施例5
将300℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于300℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。将可膨胀石墨用油酸钠处理得到表面处理的可膨胀石墨(油酸钠用量为可膨胀石墨的3％)，将膨胀石墨也用油酸钠处理得到表面处理的膨胀石墨(油酸钠用量为可膨胀石墨的10％)。按膨胀石墨∶可膨胀石墨∶红磷∶聚丙烯质量比为14∶6∶6∶74的比例，采用双螺杆挤出机将表面处理的膨胀石墨、表面处理的可膨胀石墨、红磷和聚丙烯在180℃进行熔融混合得到聚丙烯/石墨功能复合材料，其体积电导率为8.2×10-3s/cm，氧指数27.0。
实施例6
将300℃时膨胀容积为250mL/g的可膨胀石墨置于300℃高温炉中膨化，制成膨胀石墨。按膨胀石墨∶可膨胀石墨∶聚磷酸铵∶E-44环氧树脂预聚物∶甲苯质量比为10∶5∶9∶47∶300的比例，先将E-44环氧树脂预聚物与甲苯混合均匀，然后再加入膨胀石墨、可膨胀石墨和聚磷酸铵，搅拌混匀，并在50℃下浸泡4h，然后充分将甲苯蒸发除尽制备成多组分复合物。然后，按邻苯二甲酸酐∶E-44环氧树脂预聚物质量比为3∶5的比例将上述多组分复合物与邻苯二甲酸酐溶融混匀，固化后即得到环氧树脂/石墨功能复合材料，其体积电导率为2.8×10-4s/cm，氧指数26.0。

Claims (6)

1. 一种兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：包含聚合物、可膨胀石墨和膨胀石墨，其中可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数为5％～40％，可膨胀石墨的质量分数为2％～30％，膨胀石墨的质量分数为2％～20％。
2. 根据权利要求1所述的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：可膨胀石墨和膨胀石墨的总质量分数为10％～35％，可膨胀石墨的质量分数为5％～25％，膨胀石墨的质量分数为3％～15％。
3. 根据权利要求1或2任一项所述的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：还包含有辅助阻燃剂。
4. 根据权利要求3所述的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：辅助阻燃剂为卤系阻燃剂、有机磷系阻燃剂、氮系阻燃剂和无机阻燃剂中的一种或多种。
5. 根据权利要求4所述的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：作为辅助阻燃剂的有机磷系阻燃剂为磷酸三乙酯，作为辅助阻燃剂的无机阻燃剂为红磷和聚磷酸铵之一种或两种。
6. 根据权利要求5所述的兼具阻燃和导电功能的聚合物基功能复合材料，其特征在于：辅助阻燃剂与可膨胀石墨的质量比为1～3∶1。
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