CN102070830A - 一种高导电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高导电复合材料，所述复合材料仅由聚合物和碳素类导电填料组成，聚合物和导电填料的使用比例为3:7~7:3。所述聚合物一般为热塑性聚合物及其改性聚合物的混合物，热塑性聚合物与改性聚合物的比例为1:9~9:1；所述导电填料一般由天然鳞片石墨粉、人造石墨粉、膨胀石墨、炭黑以及碳纤维（粉）和碳纳米管中的一种或一种以上构成。直接对复合材料进行混炼、注塑、挤出压延、挤出流延或层压等工艺处理，可制备高导电复合板。本发明提供的高导电复合材料具有低的电阻率，配方设计简单，导电填料易于分散，流体粘度较低，可以通过简单的塑料成型工艺来制备，可以实现规模化生产。

Description

一种高导电复合材料
技术领域
本发明涉及一种高导电复合材料，该复合材料可应用于新能源领域，尤其是储能电池领域。
背景技术
随着新能源产业的兴起，碳塑类导电复合材料越来越受到人们的重视。其具有加工成型简单、原料简单易得、价格便宜等优点。然而具有高导电性的碳塑类复合材料往往需要添加大量的导电填料，这就导致复合材料的机械性能往往不尽人意，最重要的是其熔体粘度过大，导致其加工成型性能变差，规模化生产往往得不到实现。
导电填料的分散性及合理的导电填料种类的搭配使用是制备生产高导电复合材料的关键。为改善导电填料分散性，增强复合材料的机械性能以及改善加工成型性，人们一般在复合体系中加入偶联剂或润滑剂等，但少量偶联剂和润滑剂的加入往往无法实现改善导电填料分散性和增强界面结合的目的，而大量加入又易导致导电性能的下降。也有人利用偶联剂等对导电填料进行适当的前期处理，但这增加了整个工艺流程的复杂性。因此有必要设计一种新的高导电复合材料配方，进一步改善高填充导电填料的分散，提高高导电复合板的机械性能。同时，这种配方能够通过简单的成型方法实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电性好、机械强度高、加工成型性好，且可实现大批量生产的碳塑类复合材料。
本发明的技术方案是：本发明所述高导电复合材料仅由聚合物和碳素类导电填料组成，聚合物和导电填料的使用比例为3:7~7:3。
本发明所述聚合物一般为热塑性聚合物及其改性聚合物的混合物，热塑性聚合物与改性聚合物的比例为1: 9~9:1。
本发明所述热塑性聚合物一般包括聚丙烯和聚乙烯；改性聚合物一般由热塑性聚合物进行一定的接枝化处理，是由聚合物、极性单体、相变增塑剂、引发剂以及抗氧化剂等熔融混合而成；极性单体包括丙烯酸类、马来酸酐以及马来酰亚胺。
本发明所述碳素类导电填料一般由天然鳞片石墨粉、人造石墨粉、膨胀石墨、炭黑以及碳纤维（粉）、碳纳米管中的一种或一种以上构成。
本发明所述导电填料中使用的石墨粉如为天然鳞片石墨粉，则炭黑或膨胀石墨粉在导电填料中的质量分数为10%~50%；如为人造石墨粉则炭黑或膨胀石墨粉含量可相应提高至20~70%。
本发明所述天然鳞片石墨粉的平均粒径在5~40μm，人造石墨粉粒径D90=50~250μm。
本发明所述高导电复合材料按照以下步骤进行制备或生产：（1）根据材料设计称取所需要的聚合物基体和碳素类导电填料；（2）将所称取材料直接进行混炼，然后通过注塑、挤出压延、挤出流延或层压工艺进行成型制备。
本发明的优点和积极效果表现为：本发明提供的高导电碳塑类复合材料具有低的电阻率，一般在0.5Ω.cm以下，而且配方设计简单，导电填料易于分散，流体粘度较低，完全可以通过简单的塑料成型工艺，如挤压或注塑成型来制备。可以实现高导电复合材料真正意义上的量产或规模化生产。
具体实施方式
实施例1
分别称取高密度聚乙烯4.05kg，丙烯酸接枝聚乙烯0.45kg，人造石墨粉（D90=100μm）2.75kg，高导电炭黑2.75kg，直接放入密炼机中混炼，然后通过单螺杆挤出机造粒。最后通过片材挤出机成型，即可得高导电复合材料。将此复合材料应用于全钒液流电池单电池中，充电截止电压1.7V，放电截止电压1.1V，充放电电流密度80mA/cm2，该复合板与硬石墨板的物理性能比较以及其分别应用于全钒单电池时的电池性能差异见表1。将该极板应用于10kW液流储能电池堆中，在60mA/cm2的充放电条件下电堆的电压效率可以达到85%，能量效率接近81%。
实施例2
分别称取马来酸酐接枝聚丙烯4.5kg，人造石墨粉（D90=250μm）0.917kg，高导电炭黑0.917kg，碳纤维3.666kg，直接投入密炼中混炼，然后通过单螺杆挤出机造粒。最后通过注塑机成型，即可得高导电复合材料。将此复合材料应用于全钒液流电池单电池中，充电截止电压1.7V，放电截止电压1.1V，充放电电流密度80mA/cm2，电池的电压效率和能量效率列于表1中。将该极板应用于10kW液流储能电池堆中，在60mA/cm2的充放电条件下电堆的电压效率可以达到86%，能量效率接近83%。
实施例3
分别称取高密度聚乙烯2kg，马来酰亚胺接枝聚乙烯2kg，碳纤维粉6kg，直接投入密炼机中混炼，然后通过单螺杆挤出机造粒。最后通过片材成型机成型，即可得高导电复合材料。将此复合材料应用于全钒液流电池单电池中，充电截止电压1.7V，放电截止电压1.1V，充放电电流密度80mA/cm2，电池的电压效率和能量效率列于表1中。将该极板应用于10kW液流储能电池堆中，在60mA/cm2的充放电条件下电堆的电压效率可以达到84%，能量效率接近82%。
实施例4
分别称取高密度聚乙烯3.6kg，丙烯酸接枝聚乙烯0.4kg，鳞片石墨粉（D50=15μm）3kg，高导电炭黑3kg，直接放入密炼机中混炼，然后通过单螺杆挤出机造粒，最后通过片材成型机成型，即可得高导电复合材料。将此复合材料应用于全钒液流电池单电池中，充电截止电压1.7V，放电截止电压1.1V，充放电电流密度80mA/cm2，电池的电压效率和能量效率列于表1中。将该极板应用于10kW液流储能电池堆中，在60mA/cm2的充放电条件下电堆的电压效率可以达到87%，能量效率接近83%。
表1 复合导电板与硬石墨板的比较
弯曲强度（MPa） 体积电阻率 单电池电压效率 单电池能量效率
2mm硬石墨板 >52 0.0011Ω.cm 89% 84.5%
实施例1 >45 0.13Ω.cm 84.5% 81.1%
实施例2 >40 0.09Ω.cm 85% 82%
实施例3 >45 0.11Ω.cm 84% 81.5%
实施例4 >48 0.23Ω.cm 85% 82%

Claims (5)

1.一种高导电复合材料，其特征在于：所述高导电复合材料仅由聚合物和碳素类导电填料组成，聚合物和导电填料的使用比例为3:7~7:3。
2.根据权利要求1所述高导电复合材料，其特征在于：所述聚合物一般为热塑性聚合物及其改性聚合物的混合物，热塑性聚合物与改性聚合物的比例为1: 9~9:1；所述热塑性聚合物一般包括聚丙烯和聚乙烯；改性聚合物一般由热塑性聚合物进行一定的接枝化处理，是由聚合物、极性单体、相变增塑剂、引发剂以及抗氧化剂等熔融混合而成；所述极性单体包括丙烯酸类、马来酸酐以及马来酰亚胺。
3.根据权利要求1所述高导电复合材料，其特征在于：所述碳素类导电填料一般由天然鳞片石墨粉、人造石墨粉、膨胀石墨、炭黑以及碳纤维（粉）、碳纳米管中的一种或一种以上构成。
4.根据权利要求3所述高导电复合材料，其特征在于：所述导电填料中使用的石墨粉如为天然鳞片石墨粉，平均粒径在5~40μm，炭黑或膨胀石墨粉在导电填料中的质量分数为10%~50%；如为人造石墨粉则炭黑或膨胀石墨粉含量可相应提高至20%~70%，人造石墨粉粒径D90=50~250μm。
5.根据权利要求1所述高导电复合材料，其特征在于：所述高导电复合材料按照以下步骤进行生产：（1）根据材料设计称取所需要的聚合物基体和碳素类导电填料；（2）将所称取材料直接进行混炼，然后通过注塑、挤出压延、挤出流延或层压工艺进行成型。
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