CN101456988B - 一种具有正温度系数效应的导电聚合物组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的具有正温度系数效应的导电聚合物组合物，由聚合物基体和两种具有不同直径、相似长径比的导电纤维组成，聚合物基体的质量分数为30-75％，第一种导电纤维的直径范围为10-80μm，质量分数为20-50％，第二种导电纤维的直径范围为0.1-10μm，质量分数为0.1-20％。其中的导电纤维是金属类导电纤维或碳素类导电纤维。本发明利用两种不同尺寸导电纤维之间的协同效应，所制备的组合物在较低填料含量下呈现低的室温电阻率和高的PTC强度。并表现出良好的电性能稳定性。可以应用于制备过流保护器件、自控温伴热带等诸多领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有正温度系数效应的导电高聚物组合物。尤其是适用于制备过流保护器件、自控温伴热带的导电高聚物组合物。
背景技术
将炭黑、碳纤维或者金属粒子等导电填料与某些高分子基体共混可以得到具有电阻正温度系数(PTC)效应的导电高分子复合材料。这类导电高分子复合材料在电路保护器件、加热器、传感器等领域有诸多应用。对于电路保护器件，一般来说希望组合物有尽可能低的室温电阻率和尽可能高的PTC强度，以及足够的稳定性。同时，导电填料的添加量也是重要的考察因素，过高的导电填料的添加量不仅会增加成本，更主要的是还会给加工造成困难。因此，选择适合的导电填料，在较低的填料含量下，获得尽可能低的室温电阻率和尽可能高的PTC强度以及良好的稳定性，是十分有益的。对于碳黑填料，一般来说，难以在很低的室温电阻率下获得足够高的PTC强度。对于金属粒子，虽然其有更好的电导率，但由于其在聚合物中不像碳黑那样容易自聚形成导电链，通常需要很高的填充含量来形成导电网络。同时，对于粒子填充，由于粒子的几何尺寸较小，在PTC转变温度之上容易在基体中发生移位，使得材料稳定性下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有正温度系数(PTC)效应的导电聚合物组合物。该组合物在室温电导率、PTC强度、稳定性及填料含量方面有良好的综合性能。
本发明的具有正温度系数效应的导电聚合物组合物，其特征在于由聚合物基体和两种具有不同直径、相似长径比的导电纤维组成，聚合物基体的质量分数为30-75％，第一种导电纤维的直径范围为10-80μm，质量分数为20-50％，第二种导电纤维的直径范围为0.1-10μm，质量分数为0.1-20％，上述组分质量分数之和为100％。
优选聚合物基体的质量分数为55-74％，第一种导电纤维的质量分数为25-35％，第二种导电纤维的质量分数为1-10％，上述组分质量分数之和为100％。
本发明中，所述的聚合物基体选自聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二酯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种。
所述的导电纤维是金属类导电纤维或是碳素类导电纤维，两种导电纤维可采用相同类的导电纤维，也可采用不同类的导电纤维。两种导电纤维的长径比均为20-200，优选长径比均为40-60。
本发明的组合物可以通过一个或一个以上的混炼步骤来制备，优选用混炼设备一次混炼后造粒，再进行第二次混炼得到。
本发明的有益效果在于：
本发明选用具有一定长径比的导电纤维作为填料，很容易在基体中形成导电网络结构，克服了金属粉末填充时不易形成导电链的缺点，降低了填料含量。同时，相对于本身电阻率较大的碳黑，导电纤维填充有利于达到更低的室温电阻率。此外，由于纤维比颗粒的尺寸维度要大得多，在PTC转变温度之上不易在基体中发生移位，因此其导电网络也更稳定。本发明利用两种不同直径、相似长径比的导电纤维的协同效应，以直径较大第一种导电纤维形成导电网络的主体，第二种细而短的导电纤维的存在，有力地促进了纤维之间的搭接，使导电网络更为完善，进一步降低了室温电阻率。同时相对于单纯使用第一种纤维，相同电阻率下所需的填料含量也被进一步降低。该组合物在室温电导率、PTC强度、稳定性及填料含量方面有良好的综合性能。所述的导电高聚物组合物可以应用于制备过流保护器件、自控温伴热带等诸多领域。
具体实施方式
实施例1
将70％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和25％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)和5％质量分数的不锈钢纤维(直径6μm)投入密炼机在160℃下混炼5min，混炼头转速50r/min，破碎造粒，粒料再投入密炼机在160℃下混炼10min，混炼头转速50r/min。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表1。
比较例1
将70％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和30％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)投入密炼机在160℃下混炼5min，混炼头转速50r/min，破碎造粒，粒料再投入密炼机在160℃下混炼10min，混炼头转速50r/min。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表1。
表1
| 试样 | ρ0(Ω·cm) | ρmax(Ω·cm) | Log ρmax/ρ0 |
| 比较例1 | 11.8 | 3.1×108 | 7.43 |
| 实施例1 | 3.6 | 3.7×107 | 7.01 |
实施例2
将60％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和35％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)和5％质量分数的不锈钢纤维(直径6μm)投入密炼机在160℃下混炼5min，混炼头转速50r/min，破碎造粒，粒料再投入密炼机在160℃下混炼10min，混炼头转速50r/min。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表2。
实施例3
将64％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和35％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)和1％质量分数的碳纤维(直径8μm)投入密炼机在160℃下混炼5min，混炼头转速50r/min，破碎造粒，粒料再投入密炼机在160℃下混炼10min，混炼头转速50r/min。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表2。
比较例2
将60％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和40％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)投入密炼机在160℃下混炼5min，混炼头转速50r/min，破碎造粒，粒料再投入密炼机在160℃下混炼10min，混炼头转速50r/min。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表2。
表2
| 试样 | ρ0(Ω·cm) | ρmax(Ω·cm) | Log ρmax/ρ0 |
| 比较例2 | 2.8 | 5.0×106 | 6.25 |
| 实施例2 | 0.8 | 1.2×105 | 5.17 |
| 实施例3 | 1.9 | 7×105 | 5.59 |
实施例4
将60％质量分数的高密度聚乙烯(5000s，扬子石化)和35％质量分数的不锈钢纤维(直径35μm)和5％质量分数的不锈钢纤维(直径6μm)在双辊开炼机中160℃下混炼10min，破碎造粒，粒料再投入双螺杆挤出机在160℃下挤出。再在平板硫化机中160℃热压15min，压力15Mpa，得到测试样品。样品在室温与160℃先经一次热循环，再在室温下升温至160℃，升温速率2℃/min，测试试样电阻-温度曲线，试样的室温电阻率(ρ0)、最高电阻率(ρmax)和PTC强度(Log ρmax/ρ0)见表3。
表3
| 试样 | ρ0(Ω·cm) | ρmax(Ω·cm) | Log ρmax/ρ0 |
| 实施例4 | 1.1 | 2.1×105 | 5.28 |
上述实例表明，采用本发明能显著降低导电复合材料的室温电阻率，同时在相同电阻率下能够降低导电填料的含量，且保持良好的PTC强度。
Claims (5)
1.一种具有正温度系数效应的导电聚合物组合物，其特征在于由聚合物基体和两种具有不同直径、长径比均为40-60的导电纤维组成，聚合物基体的质量分数为30-75％，第一种导电纤维的直径范围为10-80μm，质量分数为20-50％，第二种导电纤维的直径范围为0.1-10μm，质量分数为0.1-20％，上述组分质量分数之和为100％。
2.按照权利要求1所述的组合物，其特征在于聚合物基体的质量分数为55-74％，第一种导电纤维的质量分数为25-35％，第二种导电纤维的质量分数为1-10％，上述组分质量分数之和为100％。
3.按照权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的聚合物基体选自聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二酯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种。
4.按照权利要求1所述的组合物，其特征在于两种导电纤维的长径比均为40-60。
5.按照权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的导电纤维是金属类导电纤维或碳素类导电纤维。
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