CN101875774A

CN101875774A - 聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101875774A
Application number: CN2009102643512A
Authority: CN
Inventors: 张明; 曹振东; 李满
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-11-03

Abstract

聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料及其制备方法，该复合材料由主基体聚芳醚、增强体碳纤维和膨胀倍数100倍以上的膨胀石墨组成，各组分的质量份为：主基体聚芳醚100份、增强体碳纤维1～30份、膨胀石墨1～8份。在聚芳醚/纳米膨胀石墨复合体系中通过添加增强体碳纤维制备了高强度、高导电性的复合材料。在碳纤维和膨胀石墨含量较少的情况下，体系的体积电导率可达10^-1S/m，体系的力学性能优异，拉伸强度可以达到101.6MPa，弯曲强度达到232.3MPa，冲击强度为25.64kJ/m²。本发明具有优异的综合性能，可在防静电材料、电磁屏蔽材料、微波吸收等领域广泛应用。

Description

聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料及制备工艺及相关性能研究，在已取得聚酰胺/石墨纳米导电复合材料制备方法专利权的基础上，通过添加碳纤维经简单熔融共混插层的方法制备出了导电性能好且机械力学性能优异的聚醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料。

背景技术

聚苯硫醚(PPS)是一种新型的热塑性半结晶型的工程塑料，具有优良的耐化学腐蚀性、耐高温性、良好的物理机械性能等特点，广泛用于纺织、汽车、电子电器、化工设备等许多领域。聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势，耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定等，在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。聚苯醚(PPO)具有优良的综合性能，机械性能优于PC、PA和POM，电性能、耐水蒸汽性、尺寸稳定性优异，耐热，难燃，使用温度范围广，吸水性小。

近年来聚合物基导电复合材料由于具有密度小、导电性能优良以及耐化学腐蚀性好等优点而得到广泛的推广和应用。但是，据目前报道以聚合物作为基体的导电复合材料，多以碳黑、金属粉、金属氧化物等作为导电填料，采用插层聚合或溶液插层的制备工艺，这种聚合物基导电复合材料往往需要较多的导电填料才能达到理想的导电效果，导电填料含量一般在15～25％范围内。填料含量的增加以及与基体弱的界面粘合作用使得此类聚合物基导电复合材料加工性能和力学性能变差，从而限制了其应用。

在我们以前的研究成果中报道了采用熔融插层的方法制备了聚酯/石墨纳米导电复合材料，此法制备的聚酯基纳米膨胀石墨复合材料在导电填料含量较少的情况下就可以获得较高的体积电导率，其渗滤阈值在4～5％。与其它聚合物基导电复合材料相比无机导电填料的含量有了大幅度的降低，从而降低了生产成本。但是，此法制备的聚酯/石墨纳米导电复合材料随着石墨的加入使得其力学性能较纯聚酯基体有所下降，这样也限制了其工业化应用。

发明内容

本发明目的在于发明一种既具有较好抗静电性能、一定范围的屏蔽性能、导电性能优良且加工性能好、力学性能优异，可满足工业化应用的聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料。

本发明的目的是这样实现的，聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料，由聚芳醚、膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨和增强体碳纤维组成，各组分的质量份为：聚芳醚100份、膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨1～8份和增强体碳纤维1～30份；所述聚芳醚为聚苯醚或聚苯硫醚或聚醚醚酮。

所述增强体为各种牌号及不同长径比碳纤维。

所述膨胀石墨是膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨或纳米石墨片。

实验结果表明，本发明具有较低的渗滤阈值和较高的电导率以及优异的机械力学性能。碳纤维作为增强材料，本身就具有良好的导电性能，因此随着碳纤维的加入，在复合材料内部与膨胀石墨实现良好的导电网络，赋予主基体优异的导电性能。同时，碳纤维还具有增强作用，聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度等相对于纯聚芳醚基体都有大幅度的提高，与其它聚合物基导电复合材料相比也高出许多。因此，聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料具有广阔的工业化前景，有望在防静电材料、电磁屏蔽材料、微波吸收等领域获得广泛的应用。

聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)纳米石墨片的制备：将天然鳞片石墨加入到浓硫酸和浓硝酸的混合液中浸泡24±3小时，然后将天然鳞片石墨经洗涤、干燥处理后，在温度为900～1100℃的马弗炉中加热膨胀处理，得到膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨，再将膨胀石墨分散在70％的乙醇水溶液中放置24±1小时后，超声4±0.2小时得到纳米石墨片(纳米膨胀石墨)；

2)将纳米膨胀石墨(或纳米石墨片)1～8份与主基体聚芳醚100份混合均匀后与增强体碳纤维1～30份一起加入到既能提供剪切力又能同时将聚合物加热到熔点以上的设备中熔融共混，即得到导电复合材料；所述聚芳醚为聚苯醚或聚苯硫醚或者聚醚醚酮。

步骤1)中天然鳞片石墨的细度为30～200目。

步骤2)所述增强体碳纤维为各种牌号及不同长径比碳纤维。

聚芳醚和纳米膨胀石墨的最佳质量份比为100∶8。

本发明利用碳纤维优异的导电性能以及可以作为聚合物增强填料的优点，在已取得研究成果的基础上，通过加入碳纤维，采用熔融共混的方法制备出了聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料。具体方法是将一定配比的膨胀石墨和主基体聚芳醚置于高速混合机充分搅拌，使之混合均匀；然后将其和碳纤维置于密炼机(如哈克转矩流变仪、双螺杆挤出机等)中，升温至基体熔点以上进行混炼，从而得到导电复合材料。该制备方法简单易行，成本较低。

具体实施方式

1、制备膨胀石墨：

将天然鳞片石墨(粒度100μm～500μm或30～200目)加入到质量比为4∶1的浓硫酸和浓硝酸的混合液中浸泡24±3小时，然后经洗涤、干燥处理后，在温度为900～1100℃的马弗炉中加热膨胀处理，得到膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨，待用。

2、制备纳米膨胀石墨(纳米石墨片)：

将膨胀石墨分散在70％的乙醇水溶液中放置24±1小时，然后超声4小时得到纳米石墨片(纳米膨胀石墨)，待用。

3、复合材料的预共混

将一定配比的纳米膨胀石墨和主基体置于高速混合机中，充分搅拌10min，使填料膨胀石墨在基体中分散均匀。

下面主基体聚芳醚以PPS为例，具体举例说明：

纳米膨胀石墨占总体系质量份数的8份和100份主基体PPS在高速混合机上充分搅拌混合均匀后，将其和2～30份增强体碳纤维料分别转移至密炼机(哈克转矩流变仪或双螺杆挤出机)中于200～380℃条件下混炼2～20min，出料，即得高强度导电复合材料。复合材料的电导率数据及各力学性能数据见表一。

表一

纳米膨胀石墨占总体系质量份数的1份或2份或3份或4份或5份或6份或7份)和100份主基体PPS在高速混合机上充分搅拌混合均匀后，将其和2～30份增强体碳纤维料分别转移至密炼机(哈克转矩流变仪或双螺杆挤出机)中于200～380℃条件下混炼2～20min，出料，即得高强度导电复合材料。复合材料的电导率数据及各力学性能数据与表一相似。主基体聚芳醚以聚苯硫醚(PPS)与纳米膨胀石墨的最佳质量份比为100∶8。

主基体聚芳醚采用聚苯醚或者聚醚醚酮制得的复合材料的电导率数据及各力学性能数据也与表一相似。

Claims

1.聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料，其特征在于所述复合材料由聚芳醚、膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨和增强体碳纤维组成，各组分的质量份为：聚芳醚100份、膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨1～8份和增强体碳纤维1～30份；所述聚芳醚为聚苯醚或聚苯硫醚或聚醚醚酮。

2.根据权利要求1所述聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料，其特征在于所述增强体为各种牌号及不同长径比碳纤维。

3.一种如权利要求1所述聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)纳米石墨片的制备：将天然鳞片石墨加入到浓硫酸和浓硝酸的混合液中浸泡24±3小时，然后将天然鳞片石墨经洗涤、干燥处理后，在温度为900～1100℃的马弗炉中加热膨胀处理，得到膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨，再将膨胀石墨分散在70％的乙醇水溶液中放置24±1小时后，超声4±0.2小时得到纳米石墨片；

2)将纳米膨胀石墨1～8份与主基体聚芳醚100份混合均匀后与增强体碳纤维1～30份一起加入到既能提供剪切力又能同时将聚合物加热到熔点以上的设备中熔融共混，即得到导电复合材料；所述聚芳醚为聚苯醚、聚苯硫醚或者聚醚醚酮。

4.根据权利要求3所述聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料的制备方法，其特征在于步骤1)中天然鳞片石墨的细度为30～200目。

5.根据权利要求3所述聚芳醚/纳米膨胀石墨/碳纤维高强导电复合材料的制备方法，其特征在于步骤2)所述增强体碳纤维为各种牌号及不同长径比碳纤维。