CN101928422A - 一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料科学技术领域，公开了一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法，并采用伽马射线辐射交联处理技术大幅度提高材料的导电率和电热转换效率。其特征是以碳纤维或镀镍碳纤维为填充体、以聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物为基体的涂膜或共混复合材料，得到聚合物基发热材料。碳纤维或镀镍碳纤维均匀分散在聚合物基体中，既导电又发热，在很低的外加电压下，就可获得很高的表面温度，升温快速，电热转换效率高，而且材料自控温性能佳，热重复性好，经久耐用，安全环保。通过对复合材料进行伽马射线辐射后处理，适宜剂量的伽马射线辐射交联使材料的电导性能、发热性能及热稳定性得到显著提高，工艺简单，安全节能。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料科学技术领域，涉及到一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法。
背景技术
碳纤维既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，被誉为“本世纪最具竞争力的高科技材料”。碳纤维发热体替代金属发热体将成为一种必然的趋势。
利用碳纤维制备的发热材料，具有以下优点：(1)电气性能稳定，升温速度极快。(2)电-热转换效率高，比一般金属发热体节能30％以上。(3)远红外辐射效果佳，保健功能显著。(4)使用寿命长。(5)与金属发热体不同，碳纤维完全避免了电磁场的产生。(6)安全环保，无毒无害；耐冷热骤变性强，耐酸，耐腐蚀。与传统的热电阻丝发热相比，碳纤维加热技术显示出了更多的优点。
但目前的碳纤维加热器除了采用碳纤维发热体，还有复杂的电路及控温装置，一旦出现温度过高的情况，就有烧毁电路的危险。聚合物基PTC发热材料则具备自动调温的功能，但由于聚合物的热阻隔性，一般存在发热效率低，产品温度低的问题；此外，一般的聚合物基PTC材料常伴随NTC效应和热重复性差的问题，影响了其工业应用。
针对上述问题，我们采用聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物作为聚合物基体，碳纤维或镀镍碳纤维作为导电发热填充体，采用溶液方法或者熔混方法制备了聚合物基导电发热复合膜材料，并采用伽马射线辐射交联技术进行后处理。结果表明，镀镍碳纤维具有比碳纤维更高的发热性能；伽马射线辐射交联不仅使材料的发热性能得到大大提高，而且使其导电性、热稳定性也进一步提高。这种方法制备的聚合物基发热材料温度调节范围宽，自动控温，表面温度高，升温快速，节能环保，安全省电，在自控温发热面板领域有光明的应用前景。
发明内容
本专利首先采用聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物为聚合物基体，碳纤维或镀镍碳纤维作为导电发热填料，利用溶液方法或熔混方法制备出聚合物基导电发热复合膜材料，然后采用伽马射线辐射交联技术对其进行后处理。
本发明的技术方案如下：
首先聚合物基体采用聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物，聚合物基体的组成比例1∶0-10，导电发热填料为碳纤维或镀镍碳纤维，填料的体积比例1-40％，将聚合物基体和填料共混复合，压制成膜，得到导电发热聚合物复合膜。然后将导电发热聚合物复合膜进行室温伽马射线辐射交联处理，辐射剂量50-1000kGy，再加热处理去除自由基，得到最终样品。
所述的聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物可以采用超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯与乙烯基-甲基丙烯酸甲酯共聚物或超高分子量聚乙烯与低分子量聚乙烯混合物等。
当采用超高分子量聚乙烯为聚合物基体时，采用以二甲苯、十氢萘、白油或石蜡油等为溶剂的溶液法或涂膜法制备；非超高分子量聚乙烯为聚合物基体时，采用熔混法制备出聚合物基导电发热复合膜材料。
本发明制备的聚合物基导电发热膜材料，在外加电压1-30V时，可达到样品表面温度30-200℃。例如，(1)当超高分子量聚乙烯和乙烯基甲基丙烯酸甲酯共聚物以比例1∶1，导电发热填料碳纤维以体积比例25％，溶液方法制备的导电发热复合膜材料，无伽马射线辐射交联处理时，样品膜的室温体积电阻率可达101欧姆·厘米，在外加直流电压25V时，样品膜的表面温度约32℃；对样品膜进行500kGy剂量伽马射线辐射交联处理后，在相同的外加电压条件下，样品膜表面温度可达75℃。表面温度及电流在100s内能达到平衡状态值。(2)当超高分子量聚乙烯和乙烯基甲基丙烯酸甲酯共聚物以比例1∶1，导电发热填料镀镍碳纤维以体积比例10％，溶液方法制备的导电发热复合膜材料，无伽马射线辐射交联处理，样品膜的室温体积电阻率可达100欧姆·厘米，对材料施加2V的直流电压时，样品膜的表面温度约120℃。表面温度及电流在100s内能达到平衡状态值。因此，可以通过选择不同的聚合物基体组成比例，不同的填料比例，或选择不同的辐射剂量，来达到不同的样品膜表面温度，从而满足不同的需求。
本发明的效果和益处是所制备的聚合物基导电发热膜材料，既导电又发热，而且控温性能良好，电热效率高，节能环保。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的最佳实施例。
实施例1
首先超高分子量聚乙烯与乙烯基-甲基丙烯酸甲酯共聚物按照重量比1∶1，碳纤维按体积比25％，在二甲苯溶液中混合，升温至135℃使聚合物完全溶解，真空脱泡，接着将热均匀溶液倒出，室温下挥发溶剂，然后进行真空干燥去除残余溶剂，压制成膜。最后将干燥的凝胶膜进行室温伽玛射线辐射交联处理，辐射剂量500kGy，并进行热处理去除多余的自由基，得到最终样品。
实施例2
首先超高分子量聚乙烯与低分子量聚乙烯按照重量比1∶9，碳纤维按体积比25％，在十氢萘溶液中混合，升温至145℃使聚合物完全溶解，真空脱泡，接着将热均匀溶液倒出，室温下挥发溶剂，然后进行真空干燥去除残余溶剂，压制成膜。最后将干燥的凝胶膜进行室温伽玛射线辐射交联处理，辐射剂量300kGy，并进行热处理去除多余的自由基，得到最终样品。
实施例3
首先将超高分子量聚乙烯与镀镍碳纤维在十氢萘溶液中混合，镀镍碳纤维比例体积比为4％，升温至145℃使聚合物完全溶解，真空脱泡，接着将热均匀溶液倒出，室温下挥发溶剂，然后进行真空干燥去除残余溶剂，压制成膜。最后将干燥的凝胶膜进行室温伽玛射线辐射交联处理，辐射剂量300kGy，并进行热处理去除多余的自由基，得到最终样品。
实施例4
将高密度聚乙烯与镀镍碳纤维熔融混合，镀镍碳纤维体积比为8％，然后热压成膜，最后进行伽马射线辐射交联处理，得到最终样品。
实施例5
首先将超高分子量聚乙烯与镀镍碳纤维在十氢萘溶液中混合，镀镍碳纤维比例体积比为6％，升温至145℃使聚合物完全溶解，真空脱泡，接着将热均匀溶液涂覆在树脂表面成膜，室温下挥发溶剂，然后进行真空干燥去除残余溶剂，压制成膜，最后进行室温伽马射线辐射交联处理，得到最终样品。
本发明采用具有高熔融粘度特点的超高分子量聚乙烯为聚合物基体，可以消除通常PTC材料中普遍存在的NTC效应，使材料的热稳定性好，安全可靠。引入乙烯基共聚物即乙烯基-甲基丙烯酸甲酯共聚物或低分子量聚乙烯为聚合物低黏度相，可以使填料在聚合物基体中分散更均匀，获得综合性能良好的导电发热材料。填料碳纤维发热性能好，具有理疗保健作用，而镀镍碳纤维发热性能更高。经辐射交联处理后材料的PTC效果和发热性能及热稳定性均得到显著提高，使得样品控温性提高，更经久耐用。
Claims (3)
1.一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法，其特征在于，聚合物基体采用聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物，聚合物基体的组成比例1∶0-10，导电发热填料采用碳纤维或镀镍碳纤维，填料的体积比例为1-40％，溶液或熔混法共混复合，压制成膜，得到导电发热聚合物复合膜；然后将导电发热聚合物复合膜室温伽马射线辐射交联处理，辐射剂量50-1000kGy，再加热处理去除自由基，得到最终样品。
2.权利要求1所述的一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法，其特征在于，所述的聚乙烯或聚乙烯与乙烯基共聚物的混合物采用超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯与乙烯基-甲基丙烯酸甲酯共聚物或超高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯混合物。
3.权利要求1或2所述的一种聚合物基导电发热复合膜材料的制备方法，其特征在于，当采用超高分子量聚乙烯为聚合物基体时，采用以二甲苯、十氢萘、白油或石蜡油等为溶剂的溶液法或涂膜法制备；非超高分子量聚乙烯为聚合物基体时，采用熔混法制备出聚合物基导电发热复合膜材料。
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