CN104130500A - 具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体及其制作方法，各组成成分及含量为：70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％。准备好各原料，将PP，EPDM与抗氧剂1010加入密炼机中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后，加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。

Description

具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体及其制备方法。
背景技术
正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)效应是当导电复合材料的温度升高到的某一特定转变温度附近时，其电阻率会在几度或者十几度的狭窄温度范围内发生5-10个数量级的突然增加，材料从导体转变为半导体甚至是绝缘体的过程。具有PTC效应的聚合物基导电复合材料被广泛应用于生产自控温加热电缆、温度传感器、限流器和微型开关等产品。PTC效应通常伴随着一定程度的负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)效应，这是与PTC效应截然相反的过程，即随着材料温度达到熔点后继续升高，其电阻率下降的现象。伴随着PTC效应出现的NTC效应是PTC材料在应用中存在的一大缺陷，在科学研究与实际应用中都在尽量减弱甚至消除其强度。
一般而言，导电粒子的加入会大幅降低材料的力学性能，尤其是韧性与延展性，这在实际应用中很大程度上限制了具有PTC效应的导电复合材料的应用。为此具有PTC效应且兼具良好回弹性与强度的导电复合材料具有重要的潜在应用价值。热塑性硫化胶(TPV)，作为一种加工工艺和工程应用最成熟的弹性体，不仅具有优良的类橡胶的回弹性，同时具有可重复加工的良好使用前景。近年来，通过引入第三组分的方式拓宽TPV的应用受到研究者的持续关注。炭黑(CB)作为一种结构稳定性较高且成本较低的导电粒子广泛应用于工业领域，由于其具有一定的比表面积，构建的导电网络稳定，导电效率高等优点被作为广泛的导电填料，而CB填充TPV导电复合材料是否可以作为一种新型的具有PTC效应的兼具平衡的力学与导电性能的功能材料至今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，本发明的有益效果是具有稳定的正温度系数效应的同时，兼具平衡的回弹性与力学强度。其制备工艺简单，易操作，成本低。
本发明的另一个目的是提供具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体的制备方法；
本发明所采用的技术方案是各组成成分质量百分比为：70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％。
进一步，所述热塑性硫化胶由聚丙烯(PP)与三元乙丙橡胶(EPDM)按照质量比为30：70-50：50组成。
进一步，所述三元乙丙橡胶，其乙烯含量为40-75，第三单体为乙叉降冰片烯ENB，其含量为2-10。
进一步，所述硫化剂为酚醛树脂、有机过氧化物或其复配体系。
进一步，所述有机过氧化物为过氧化二异丙苯(DCP)或正丁基-4,5-双(叔丁基过氧化)戊酸酯。
进一步，所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，即抗氧剂1010。
进一步，所述导电炭黑的粒径为25-35nm，比表面积为50-250m2/g，邻苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值100-180mL/100g。
制作具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体的方法：准备70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％；将PP，EPDM与抗氧剂1010加入密炼机中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后，加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于组成成分为70-92wt％的热塑性硫化胶(其组分聚丙烯(PP)与三元乙丙橡胶(EPDM)的质量比为30：70-50：50)，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
所述的聚丙烯为各种品级的聚丙烯；所述的三元乙丙橡胶，其乙烯含量为40-75，第三单体为乙叉降冰片烯ENB，其含量为2-10。
所述的硫化剂为酚醛树脂、有机过氧化物或其复配体系；
所述的有机过氧化物为过氧化二异丙苯(DCP)或正丁基-4,5-双(叔丁基过氧化)戊酸酯；
所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，即抗氧剂1010。
所述的导电炭黑的粒径为25-35nm，比表面积为50-250m2/g，邻苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值100-180mL/100g。
制备方法，准备70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％；将PP，EPDM与抗氧剂1010加入密炼机中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后，随后加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
本发明具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体在多次热循环过程中，其具有较窄的开关温度，较高的正温度系数效应和几乎没有负温度系数效应。同时，冷却至室温后其体积电阻率与原始电阻率相同或略高，是一种室温下对电阻有记忆效应的聚合物基导电弹性体，同时，兼具了平衡的回弹性与力学强度。其制备工艺简单，易操作，成本低。
本发明还具有以下优点：
(1)在多次热循环过程中，本发明的导电弹性体具有较窄的开关温度，较高的正温度系数效应和几乎没有负温度系数效应；同时在室温下，对电阻具有良好的记忆效应。
(2)本导电复合材料具有稳定的正温度系数效应的同时，兼具平衡的回弹性与力学强度。
(3)本发明的导电弹性体可以采用密炼机加工亦可采用挤出设备加工。加工设备简单、操作简单，可广泛应用于电子开关与自控温发热材料等领域。
下面列举具体实施例和实验对比结果对本发明进行说明：
实施例一：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为83wt％的热塑性硫化胶(其PP与EPDM的质量比为50：50)，1.9wt％的硫化剂，0.1wt％的抗氧剂和15wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将PP，EPDM与抗氧剂1010按比例简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后,随后加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
实施例二：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为73wt％的热塑性硫化胶(其PP与EPDM的质量比为50：50)，1.9wt％的硫化剂，0.1wt％的抗氧剂和25wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将PP，EPDM与抗氧剂1010按比例简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后,随后加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
实施例三：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为83wt％的热塑性硫化胶(其PP与EPDM的质量比为30：70)，1.9wt％的硫化剂，0.1wt％的抗氧剂和15wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将PP，EPDM与抗氧剂1010按比例简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后,随后加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
实施例四：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为73wt％的热塑性硫化胶(其PPEPDM的质量比为30：70)，1.9wt％的硫化剂，0.1wt％的抗氧剂和25wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将PP，EPDM与抗氧剂1010按比例简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后,随后加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
实验对比例一：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为79.9wt％的热塑性硫化胶(其PPEPDM的质量比为50：50)，0.1wt％的抗氧剂和20wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将PP，EPDM与抗氧剂1010按比例简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼8min，随后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
实验对比例二：
聚合物基导电弹性体，其组成成分为61.9wt％的热塑性硫化胶(其PPEPDM的质量比为50：50)，0.1wt％的抗氧剂和38wt％的导电炭黑(CB)组成，以上各成分总和为100wt％。
将EPDM与抗氧剂1010简单混合，加入转矩流变仪(XSS-300型，上海轻机模具厂生产)中，在70rpm，200℃条件下混炼8min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
所有实施例与对比例样品的电性能按如下方法进行测试：
把样片裁剪成3cm×1cm×0.2cm的试样。将试样置于硅油中，由高精度程序控温仪进行程序控温，由电阻计实时记录电阻值，获得试样电阻-温度曲线。升温和降温速率均为5℃/min，连续进行5轮升降温循环。用公式(1)计算试样的体积电阻率ρ(Ω.cm)：
ρ = R × a × b c - - - ( 1 )
式中，R为试样的电阻(Ω)，a,b,c分别为试样的宽度，厚度和长度(cm).
试样的PTC强度ρo/ρmax和NTC强度ρmax/ρ180℃见表1；各升降温热循环后的室温体积电阻率ρ0见表2，。
所有实施例与对比例样品的力学性能按如下方法进行测试：
拉伸性能：按ASTMD638测试；
压缩永久变形：按ASTMD395测试。
具体结果列于表3中。
由表1可见，本发明所述CB/TPV导电弹性体具有较高的PTC强度，约为103，且经历5个升降温扫描后，其PTC强度依然稳定在一个较高值，具有良好的PTC重复性。而对于PP/EPDM简单共混物与EPDM的对比例均具有很低的PTC强度，且随着热循环的增加，其强度逐渐降低。由此可见，本发明所述的TPV/CB导电弹性体具有最高且最稳定的PTC强度，同时其NTC效应极其低。
表1 实施例与对比例试样的温度-电阻效应测试的结果
表2列出了各实施例在5个升降温扫描后的体积电阻率。可以看出各实施例在经历了5次热循环后其室温体积电阻率与原始电阻率相同或略高，说明在室温下，本发明所述的TPV/CB导电弹性体对电阻有良好的记忆效应。
表2 实施例在各升降温扫描后的室温体积电阻率
表3列出了实施例与对比例的力学性能，可以看出本发明所述TPV/CB导电弹性体的断裂伸长率与压缩永久变形均表现为类橡胶的性质，说明具有良好的延展性与回弹性，且定伸强度(300％)远高于对比案例1与2，由此表明，本发明所述的TPV/CB导电弹性体在兼具良好回弹性与强度的基础上，具有较高的PTC强度及其重复性。
表3 实施例与对比例试样的力学性能结果
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于各组成成分质量百分比为：70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％。
2.按照权利要求1所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述热塑性硫化胶由聚丙烯(PP)与三元乙丙橡胶(EPDM)按照质量比为30：70-50：50组成。
3.按照权利要求2所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述三元乙丙橡胶，其乙烯含量为40-75，第三单体为乙叉降冰片烯ENB，其含量为2-10。
4.按照权利要求1所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述硫化剂为酚醛树脂、有机过氧化物或其复配体系。
5.按照权利要求4所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述有机过氧化物为过氧化二异丙苯(DCP)或正丁基-4,5-双(叔丁基过氧化)戊酸酯。
6.按照权利要求1所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，即抗氧剂1010。
7.按照权利要求1所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体，其特征在于：所述导电炭黑的粒径为25-35nm，比表面积为50-250m2/g，邻苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值100-180mL/100g。
8.制作权利要求1所述具有正温度系数效应的聚合物基导电弹性体的方法，其特征在于：准备70-92wt％的热塑性硫化胶，0.1～5wt％的硫化剂，0.1～0.5wt％的抗氧剂和8-30wt％的导电炭黑(CB)，以上各成分总和为100wt％；
将PP，EPDM与抗氧剂1010加入密炼机中，在70rpm，200℃条件下混炼3min后，加入硫化剂混炼5min，最后加入CB粒子混炼10min后取出，得到CB填充动态硫化胶导电弹性体。
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