CN102964531B - 一种梯度导电材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度导电材料及其制备方法。本发明方法是在有机高分子单体中加入一定量的铁磁性导电填料，在适当的温度条件下机械搅拌均匀。如果有机物为热固性聚合物，在体系分散均匀后，再加入适量的固化剂或交联剂，继续搅拌均匀。将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具处，驱动铁磁性导电填料随磁场运动，形成梯度分布。将成型后的样品置于烘箱内保温固化一定时间，直至样品完全固化。本发明制备梯度导电材料的工艺简单，实用。制备的梯度导电样品组织致密，表面比较平整。基体中的铁磁性导电填料在磁场运动方向形成梯度分布，从而呈现梯度导电性能。

Description

一种梯度导电材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度导电材料及其制备方法，属于新材料及材料制备领域。

背景技术

功能梯度材料是指材料的组成、结构等构成要素在材料的某个方向上连续变化，从而使材料的性能也呈连续变化的一种非均质复合材料。功能梯度材料的制备与结构控制是实现功能梯度材料设计目标并获得适当的组元分布、显微组织与所需性能的关键，也因此是研究的热点。功能梯度材料的传统制备方法主要有粉末冶金、自蔓延反应合成、激光烧结、离心铸造、电解析出、等离子喷涂、气相沉积、多弧离子镀等。

FGM的研究由材料设计、材料合成和材料性能评价三个部分组成。材料合成是FGM研究的核心，材料设计则是为FGM合成提供最佳的组成和结构梯度分布，材料性能评价则是建立准确评价FGM性能的一整套标准化试验方法，依此标准对FGM进行测试并将测试结果及时反馈给材料设计部门.三者紧密相关，相辅相成。目前材料设计多数采用逆设计系统。首先是按照对材料性能的要求和使用条件，然后查阅材料组成和构造的知识库，依据设计的基本理论，对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。FGM的研究的一个重要方面是新的、经济的FGM制备方法和工艺的开发。期望在改善现有FGM制备工艺的前提下，能开发出经济的、应用面较广(大面积、形状复杂件)的FGM的制备工艺。

导电复合材料目前主要是指复合型导电高分子材料，是将聚合物与各种导电物质通过一定的复合方式构成.长期以来，高分子材料通常是作为绝缘材料在电气工业、安装工程、通讯工程等方面广泛使用。

导电高分子材料按结构和制备方法不同可分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子又称本征型导电高分子，是指具有共轭结构经少量掺杂具有导电性的材料；复合型导电高分子材料是以高分子材料为基体，经物理或化学改性后具有导电性的材料，根据在基体聚合物中所加入导电物质的种类不同又分为两类：填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料。填充复合型导电高分子材料通常是在基体聚合物中加入导电填料复合而成。导电填料主要有抗静电材料、炭系材料(炭黑、石墨、碳纤维等)、金属氧化物系材料(氧化锡、氧化铅、氧化锌、二氧化钛等)、金属系材料(银、金、镍、铜等)、各种导电金属盐以及复合填料(银-铜、银-玻璃、银-碳、镍-云母等)等。共混复合型导电高分子材料是在基体聚合物中加入结构型导电聚合物粉末或颗粒复合而成。

在实际应用过程中，人们往往需要导电复合材料沿某个特定方向导电性连续变化，由一侧的绝缘性逐渐转变为另一侧的导电性，是为梯度导电材料。本发明采用运动磁场对导磁导电复合填料的磁驱动，实现导电填料在基体中梯度分布，从而实现梯度导电特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有材料体系的不完善和制备技术的不足，提供一种梯度导电材料及其制备方法。

本发明方法的具体步骤为：

步骤1)复合体系制备

该方法要求导电填料对磁场存在磁响应，因此填料必须具有铁磁性。有些导电填料本身就是铁磁性物质，而大部分导电填料不具备铁磁性，则可以通过物理或化学方法在导电填料上复合磁性物质，从而赋予导电填料铁磁特性。本发明的重点不在于导电铁磁性填料的制备，相关制备技术很多：物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀、化学合成等。本发明是在铁磁性导电填料的基础上，通过运动磁场驱动，进而获得梯度导电材料。

在100份的热固性或热塑性有机物单体中加入5～100份平均尺寸为0.1～100μm的铁磁性导电填料，在20～250℃条件下搅拌分散0.5～10h；对于热固性有机单体，还需在体系分散均匀后，再加入1～15份固化剂或交联剂，继续搅拌30s。

所述的有机单体为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

所述的铁磁性导电填料由导电功能团和铁磁性功能团组成，其中导电功能团包括所有导电材料，主要为炭黑、碳纤维、石墨、金属粉等，铁磁性功能团包括所有铁磁性材料，主要为Fe、Co、Ni、Fe₂O₃、Fe₃O₄等。

所述的固化剂为聚酰胺、六次甲基四胺、间苯二甲二胺。

所述的交联剂为苯乙烯。

步骤2)运动磁场驱动

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具处，磁场强度为0.01～2.0T，运动速度为0.1～20mm/s，驱动次数为1～100次。

所述的磁场是由电磁铁或永磁体产生。

步骤3)固化

将取向成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20～200℃，保温1～480h。

本发明是将铁磁性导电填料与有机单体组成的复合体系，在磁场中利用外磁场对粒子的驱动作用，使铁磁性导电填料在有机物中沿磁场运动方向呈梯度分布，经固化后获得梯度导电材料。

本发明的优点是：

1)获得一种梯度导电材料，该材料随着导电填料在聚合物基体中的梯度分布，而呈现出导电性能的梯度分布。

2)提供一种简便制备导电梯度材料的方法，该方法利用外磁场对导电填料的磁驱动作用，通过磁场运动来驱动铁磁性导电填料随着磁场运动，从而获得沿磁场运动方向的梯度分布。

附图说明

图1是梯度导电材料制备原理示意图。图中，导电功能团1、铁磁性功能团2、聚合物基体3、初始位置磁极4、终了位置磁极5。在磁极4以速度ν由位置(a)处移动到位置(b)处时，铁磁性导电填料1、2将随着磁场迁移，最终沿磁场方向形成梯度分布。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种梯度导电材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)复合体系制备

在100份的热固性或热塑性有机物单体中加入5～100份平均尺寸为0.1～100μm的铁磁性导电填料，在20～250℃条件下搅拌分散0.5～10h；对于热固性有机单体，还需在体系分散均匀后，再加入1～15份固化剂或交联剂，继续搅拌30s。

步骤2)运动磁场驱动

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具处，磁场强度为0.01～2.0T，运动速度为0.1～20mm/s，驱动次数为1～100次。

步骤3)固化

将取向成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20～200℃，保温1～480h。

所述的有机单体为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。所述的铁磁性导电填料由导电功能团和铁磁性功能团组成，其中导电功能团包括所有导电材料，主要为炭黑、碳纤维、石墨、金属粉等，铁磁性功能团包括所有铁磁性材料，主要为Fe、Co、Ni、Fe₂O₃、Fe₃O₄等。所述的固化剂为聚酰胺、六次甲基四胺、间苯二甲二胺。所述的交联剂为苯乙烯。所述的磁场是由电磁铁或永磁体产生。

对制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的铁磁性导电填料沿磁场运动方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度分布。

实施例1：

在100份的不饱和聚酯单体中加入10份平均颗粒尺寸为0.1μm的炭黑/Fe₂O₃铁磁性导电填料，在20℃水浴锅中搅拌分散5h；在体系分散均匀后，再加入5份交联剂苯乙烯，继续搅拌30s。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为0.1T，运动速度为0.5mm/s，驱动次数为10次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20℃，保温480h。

对实例1所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的炭黑/Fe₂O₃铁磁性导电填料沿磁场运动方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例2：

在100份的环氧树脂单体中加入5份平均直径为0.1μm的碳纤维/Fe铁磁性导电填料，在60℃水浴锅中搅拌分散0.5h；在体系分散均匀后，再加入15份固化剂聚酰胺，继续搅拌30s。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为0.01T，运动速度为0.1mm/s，驱动次数为100次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度80℃，保温20h。

对实例2所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的碳纤维/Fe铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例3：

在100份的酚醛树脂单体中加入30份平均颗粒尺寸为8.9μm的石墨/Fe₃O₄铁磁性导电填料，在80℃水浴锅中搅拌分散10h；在体系分散均匀后，再加入1份固化剂六次甲基四胺，继续搅拌30s。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为2.0T，运动速度为0.1mm/s，驱动次数为1次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度200℃，保温1h。

对实例3所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的石墨/Fe₃O₄铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例4：

在100份的聚乙烯单体中加入20份平均颗粒尺寸为5.2μm的Cu/Fe铁磁性导电填料，在180℃条件下搅拌分散0.5h。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为1.0T，运动速度为20mm/s，驱动次数为100次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20℃，保温400h。

对实例4所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的Cu/Fe铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例5：

在100份的聚丙烯单体中加入20份平均颗粒尺寸为100μm的Al/Ni铁磁性导电填料，在200℃条件下搅拌分散2h。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由永磁体产生，磁场强度为0.2T，运动速度为5mm/s，驱动次数为100次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20℃，保温100h。

对实例5所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的Al/Ni铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例6：

在100份的聚苯乙烯单体中加入100份平均颗粒尺寸为9μm的Ag/Co铁磁性导电填料，在250℃条件下搅拌分散2h。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由永磁体产生，磁场强度为0.2T，运动速度为1mm/s，驱动次数为20次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20℃，保温48h。

对实例6所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的Ag/Co铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例7：

在100份的环氧树脂单体中加入20份平均颗粒尺寸为12μm的炭黑/Fe₃O₄铁磁性导电填料，在80℃水浴锅中搅拌分散0.5h；在体系分散均匀后，再加入9份固化剂间苯二甲二胺，继续搅拌30s。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为0.1T，运动速度为0.5mm/s，驱动次数为10次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度90℃，保温15h。

对实例7所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的炭黑/Fe₃O₄铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

实施例8：

在100份的聚乙烯单体中加入20份平均颗粒尺寸为1.2μm的Fe铁磁性导电填料，在180℃条件下搅拌分散0.5h。

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具，驱动体系中的磁性颗粒随磁场运动。磁场由电磁铁产生，磁场强度为0.5T，运动速度为0mm/s，驱动次数为20次。

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20℃，保温400h。

对实例8所制备的样品进行金相观察，发现聚合物基体中的Fe铁磁性导电填料沿外磁场方向呈梯度分布。对材料进行电导率测试发现，材料的导电性呈梯度变化。

Claims (1)

1.一种梯度导电材料，是由铁磁性导电填料与聚合物基体组成，其特征在于：铁磁性导电填料在聚合物基体中呈梯度分布，从而呈现出梯度导电特性；铁磁性导电填料由导电功能团和铁磁性功能团组成，铁磁性功能团赋予导电填料磁性，进而使导电填料产生磁响应；导电功能团包括所有导电材料；铁磁性功能团包括所有铁磁性材料；该梯度导电材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1)复合体系制备

在100份的热固性或热塑性有机物单体中加入5～100份平均尺寸为0.1～100μm的铁磁性导电填料，在20～250℃条件下搅拌分散0.5～10h；对于热固性有机单体，还需在体系分散均匀后，再加入1～15份固化剂或交联剂，继续搅拌30s；

步骤2)运动磁场驱动

将弥散复合体系注入模具中，然后将运动磁场作用于模具处，磁场强度为0.01～2.0T，运动速度为0.1～20mm/s，驱动次数为1～100次；

步骤3)固化

将驱动成型后的样品置于烘箱内固化，烘箱温度20～200℃，保温1～480h。