CN102166649A - 一种金属/聚合物热敏复合材料 - Google Patents

一种金属/聚合物热敏复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属/聚合物热敏复合材料，所述的热敏复合材料由表面包覆石蜡/聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)保护膜的纳米铜粒组成，所述石蜡/聚乙烯吡咯烷酮保护膜为熔点为50～75℃的石蜡与聚乙烯吡咯烷酮质量比30∶1～6的混合物。本发明所述的金属/聚合物热敏复合材料的有益效果主要体现在：(1)所述热敏复合材料传热速度快、热膨胀及回复性能好、成形方式多样；(2)较高温度下长久放置稳定性能良好；(3)原材料价格廉价，制备工艺简单、成本低，利于工业化生产及应用。

Description

一种金属/聚合物热敏复合材料
(一)技术领域
本发明涉及一种金属/聚合物热敏复合材料，尤其是一种纳米铜基热敏复合材料。
(二)背景技术
热敏材料作为制造高精度热敏测控元件和机构的核心技术之一，已成为当今材料科学发展的重要趋势和研究的热点。目前主要的热敏材料有形状记忆合金、双金属片、温敏铁氧体、温敏凝胶等，但是都存在一定的局限性，例如对于形状记忆合金和双金属片来说，虽然热敏性能良好，但是材料形状固定，不能根据测控元件的结构而改变形状；形状记忆聚合物存在形变回复力小，精度低，且为单向记忆等不足之处。温敏铁氧体材料和一般铁氧体不同，它对铁氧体材料本身的物理性能要求高，因此也有很大的局限性。石蜡作为一种热敏材料利用在相变时的膨胀性能，可以应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制，但是石蜡作为有机物存在导热性能差，密度小等缺点，可以通过加入金属、无机粒子等提高其导热性能，制备兼具优良的膨胀性和导热性的温敏复合材料。
(三)发明内容
为解决现有热敏材料技术中存在的上述不足，本发明提供了一种热膨胀性能好、原材料廉价、工艺简单、成本低的热敏材料及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种金属/聚合物热敏复合材料，所述的热敏复合材料由表面包覆石蜡/聚乙烯吡咯烷酮保护膜的纳米铜粒组成，所述石蜡/聚乙烯吡咯烷酮保护膜为熔点为50～75℃的石蜡与聚乙烯吡咯烷酮质量比30∶1～6的混合物。尽管石蜡作为热敏材料具有热膨胀性好的优点，但由于石蜡本身的导热系数很低，导致其热响应速度慢，而铜粉的导热系数很大，因此考虑在石蜡中添加铜粉提高材料的热敏性。由于铜粉和石蜡的密度相差甚大，为了提高其结合能力及稳定性，考虑添加具有一定粘结性及与金属络合能力的有机物聚乙烯比咯烷酮(优选为PVP-K30)。
优选的，所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                            240份
熔点为50～75℃的石蜡            30份
PVP-K30                         1～6份。
进一步，所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                            240份
熔点为60～62℃的石蜡            30份
PVP-K30                         1～6份。
最优选的，所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                            240份
熔点为60～62℃的石蜡            30份
PVP-K30                         2份。
所述的热敏复合材料可按本领域常规方法制得，具体的，所述的方法如下：将铜粉与石蜡、聚乙烯吡咯烷酮混合后，在惰性气体保护下，用球磨机球磨80～120小时得到所述的热敏复合材料。
由于利用高能球磨法已成功的制备了纳米粒子、纳米复合材料、饱和固溶体、非晶态合金、金属间化合物等各种功能材料和结构材料，因此本发明中选择高能法球磨来制备纳米铜基热敏复合材料，使石蜡/聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)包覆在纳米铜粒周围，形成了一层保护膜，隔绝了铜粒和空气的接触，提高了铜粒的抗氧化性能，并且由于纳米材料的小尺寸效应，当铜粉达到纳米级后，其导热系数变大，从而提高了整个复合材料的热敏性。
本发明所述的热敏材料及其制备方法的有益效果主要体现在：(1)所述热敏复合材料传热速度快、热膨胀及回复性能好、成形方式多样；(2)较高温度下长久放置稳定性能良好；(3)原材料价格廉价，制备工艺简单、成本低，利于工业化生产及应用。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(60～62℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.03kg；
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨100小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于60℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体膨胀率达6.8％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于55℃恒温水浴锅，在50s时体膨胀率趋于稳定，可达4.3％；置于70℃恒温水浴锅，在38s时体膨胀率即达到7.6％且趋于稳定；置于50～0℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。
实施例2：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(60～62℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.04kg；
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨80小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于60℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体膨胀率达7.5％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于55℃恒温水浴锅，在50s时体膨胀率趋于稳定，可达3.6％；置于70℃恒温水浴锅，在33s时体膨胀率即达到8.1％且趋于稳定；置于50～70℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。
实施例3：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(60～62℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.06kg；
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨120小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于60℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体体膨胀率达7.0％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于55℃恒温水浴锅，在50s时体膨胀率趋于稳定，可达4.2％；置于70℃恒温水浴锅，在30s时体膨胀率即达到7.5％且趋于稳定；置于50～70℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。
实施例4：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(50～52℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.03kg
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨120小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于50℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体体膨胀率达6.5％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于60℃恒温水浴锅，在35s时体膨胀率即达到7.2％且趋于稳定；置于40～60℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。
实施例5：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(50～52℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.04kg
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨100小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于50℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体体膨胀率达7.1％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于60℃恒温水浴锅，在31s时体膨胀率即达到7.5％且趋于稳定；置于40～60℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。
实施例6：
原料配制：铜粉4.8kg，石蜡(50～52℃)0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)0.06kg；
材料制备：将各组分按一定比例混合后，置于玛瑙罐中，采用大小不等的玛瑙球，在氩气保护下，由行星式高能球磨机球磨80小时制得所述的热敏复合材料。球磨机转速为250r/min。
所得的热敏复合材料装入自制玻璃管(直径10mm，长度45mm，一端封闭)中，利用热压成型工艺制备成型(成型温度为接近于所选石蜡熔点附近)。对其进行热膨胀性能检测，结果如下：置于60℃恒温水浴锅，在长时间保温条件下最大体体膨胀率达6.7％，复合材料未溶解溃散，伸出部分成柱状；置于60℃恒温水浴锅，在27s时体膨胀率即达到7.6％且趋于稳定；置于40～60℃温度区间内反复加热20次，体膨胀率变化波动范围维持在0.2％以内。

Claims (4)

1.一种金属/聚合物热敏复合材料，其特征在于所述的热敏复合材料由表面包覆石蜡/聚乙烯吡咯烷酮保护膜的纳米铜粒组成，所述石蜡/聚乙烯吡咯烷酮保护膜为熔点为50～75℃的石蜡与聚乙烯吡咯烷酮质量比30∶1～6的混合物。
2.如权利要求1所述的热敏复合材料，其特征在于所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                         240份
熔点为50～75℃的石蜡         30份
PVP-K30                      1～6份。
3.如权利要求2所述的热敏复合材料，其特征在于所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                         240份
熔点为60～62℃的石蜡         30份
PVP-K30                      1～6份。
4.如权利要求3所述的热敏复合材料，其特征在于所述热敏复合材料质量组成如下：
铜粉                         240份
熔点为60～62℃的石蜡         30份
PVP-K30                      2份。
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