CN107480387B - 一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法 - Google Patents

一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4‑19称取，按设定的球磨转速100‑200r/min于球磨机中机械球磨0.5‑1.5h后充分混合；(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；(3)测试复合板材的电阻率；(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程。本发明的快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法相比以往必需先制备导电复合材料，再测试其电阻率是否符合应用范围而言，既节省了原料，也节省了时间，同时对于优化导电复合材料的工艺提供了理论基础。

Description

一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率 的方法
技术领域
本发明属于高分子材料研发技术领域，具体的是一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法。
背景技术
导电高分子复合材料具有类似于金属的良好导电性能，同时亦具有优异的力学性能和加工方便等特性，因此在航空航天、能源、电子、生物医学等领域有巨大的潜在应用前景。20世纪70年代，研究者发现导电高分子复合材料的电阻率随导电填料粒子体积分数的增加呈非线性的递减，当导电粒子的体积分数增大到某一临界值时，其电阻率突然减小，变化幅度可达10个数量级以上；超过临界值后，随导电粒子体积分数的增加电阻率缓慢减小，这种现象被称为导电逾渗现象，相应的导电粒子体积分数的临界值称为逾渗阈值。导电复合材料产生逾渗现象的原因是：随着导电粒子浓度的增加，导电粒子之间开始相互接触，当形成连续导电逾渗网络时,材料的电导率突然迅速增加。
Zallen R等人用蒙特卡罗方法对导电复合材料的临界体积分数进行了预测，并建立了逾渗理论数学模型；Bueche通过Flory凝胶化理论建立导电复合材料电阻率与填料体积分数的模型；Bruggeman应用有效介质理论推导出计算导电复合物的电阻率公式；Rajagopal和Satyam从复合材料的微结构出发，提出了导电模型，还有学者提出的量子力学隧道理论和场致发射理论，这些模型的提出能解释相应的导电机理，但并不能直观的根据填料的量计算出复合材料的电阻率或导电率。本发明即提出一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，可根据填料加入量和一些条件参数快速计算出复合材料的电阻率。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的研究对象是以机械球磨法制备的石墨/塑料导电复合材料，发明的目的是结合前人提出的导电机理，计算得出该导电复合材料的电阻率与填料加入量、机械球磨时间和球磨转速之间的关系，提出一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，根据该方法得到的模拟方程，可以计算出不同的填料的添加量，不同球磨时间和不同球磨转速条件下导电高分子复合材料的电阻率，可以为制备高导电高分子复合材料提供理论依据。
本发明所提供的技术方案是：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4-19称取，按设定的球磨转速100-200r/min于球磨机中机械球磨0.5-1.5h后充分混合；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程。
作为优选，步骤(1)中的塑料为PVC、PP或PE。
作为优选，步骤(4)中计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程为；
当塑料为PVC时，模拟方程如下：
PVC：
Figure BDA0001386000810000031
当塑料为PP时，模拟方程如下：
PP:
Figure BDA0001386000810000032
当塑料为PE时，模拟方程如下：
PE:
Figure BDA0001386000810000033
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω.m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后塑料粒径的大小。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法对于石墨/塑料导电高分子复合材料，可以估算出导电复合材料逾渗阈值在某一范围之内；将预先设置的填料添加量，球磨时间和球磨转速，代入该模拟方程中，即可快速计算出机械球磨法制备的导电复合材料的电阻率。
(2)相比以往必需先制备导电复合材料，再测试其电阻率是否符合应用范围而言，本发明的方法既节省了原料，也节省了时间，同时对于优化导电复合材料的工艺提供了理论基础。
附图说明
图1为D’/D随球磨时间的变化关系图；
图2为D’/D随球磨转速的变化关系图。
具体实施方式
下面结合具体例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PVC；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PVC：
Figure BDA0001386000810000041
式中：ρ为复合材料PVC电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PVC粒径的大小。
实施例2：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：19称取，按设定的球磨转速100r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PVC；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PVC：
Figure BDA0001386000810000051
式中：ρ为复合材料PVC电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PVC粒径的大小。
实施例3：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：9称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨1.5h后充分混合；所述的的塑料为PVC；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PVC：
Figure BDA0001386000810000061
式中：ρ为复合材料PVC电阻率，单位Ω.m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PVC粒径的大小。
将实施例1-3中得到复合板材，对其电阻率进行测定，得到实际电阻率；详见表1。
表1本发明计算机械球磨法制备石墨/PVC导电复合材料电阻率的模拟方程的准确度验证
处理 理论电阻率(Ω.m) 实际电阻率(Ω.m)
实施例1 2.07×10<sup>-3</sup> 2.09×10<sup>-3</sup>
实施例2 1.940 1.937
实施例3 1.01×10<sup>-2</sup> 1.03×10<sup>-2</sup>
实施例4：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PP；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PP:
Figure BDA0001386000810000062
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PP粒径的大小。
实施例5：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：19称取，按设定的球磨转速100r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PP；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PP:
Figure BDA0001386000810000071
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PP粒径的大小。
实施例6：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：9称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨1.5h后充分混合；所述的的塑料为PP；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PP:
Figure BDA0001386000810000081
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PP粒径的大小。
将实施例4-6中得到复合板材，对其电阻率进行测定，得到实际电阻率；详见表2。
表2本发明的计算机械球磨法制备石墨/PP导电复合材料电阻率的模拟方程的准确度验证
处理 理论电阻率(Ω.m) 实际电阻率(Ω.m)
实施例4 1.044×10<sup>-4</sup> 1.048×10<sup>-4</sup>
实施例5 49.091 49.107
实施例6 1.799×10<sup>-3</sup> 1.786×10<sup>-3</sup>
实施例7：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PE；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PE:
Figure BDA0001386000810000091
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PE粒径的大小。
实施例8：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：19称取，按设定的球磨转速100r/min于球磨机中机械球磨0.5h后充分混合；所述的的塑料为PE；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PE:
Figure BDA0001386000810000092
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PE粒径的大小。
实施例9：
一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：9称取，按设定的球磨转速150r/min于球磨机中机械球磨1.5h后充分混合；所述的的塑料为PE；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率，所用仪器为ST-2258C型多功能数字四探针测试仪；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；即为
PE:
Figure BDA0001386000810000101
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后PE粒径的大小。
将实施例7-9中得到复合板材，对其电阻率进行测定，得到实际电阻率；详见表3。
表3本发明的计算机械球磨法制备石墨/PE导电复合材料电阻率的模拟方程的准确度验证
处理 理论电阻率(Ω.m) 实际电阻率(Ω.m)
实施例7 3.775×10<sup>-4</sup> 3.788×10<sup>-4</sup>
实施例8 114.02 115.76
实施例9 5.535×10<sup>-3</sup> 5.526×10<sup>-3</sup>
由表1-3可知，采用本发明的快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法得到的理论电阻率与实际电阻率基本相当，说明本发明的计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程可以估算出导电复合材料逾渗阈值在某一范围之内；将预先设置的填料添加量，球磨时间和球磨转速，代入该模拟方程中，即可快速计算出机械球磨法制备的导电复合材料的电阻率。相比以往必需先制备导电复合材料，再测试其电阻率是否符合应用范围而言，既节省了原料，也节省了时间，同时对于优化导电复合材料的工艺提供了理论基础。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种快速计算机械球磨法制备的高分子导电复合材料电阻率的方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)以石墨和塑料为原料，按质量比1：4-19称取，按设定的球磨转速100-200r/min于球磨机中机械球磨0.5-1.5h后充分混合；所述塑料为PVC、PP或PE；
(2)将得到的混合粉末置于自制模具中，在165℃、6MPa的硫化机中热压5min，取出冷压20min，得到复合板材；
(3)测试复合板材的电阻率；
(4)根据微结构理论，结合实验条件，得到计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程；
步骤(4)中计算机械球磨法制备石墨/塑料导电复合材料电阻率的模拟方程为；
当塑料为PVC时，模拟方程如下：
PVC：
Figure FDA0002809470240000011
当塑料为PP时，模拟方程如下：
PP:
Figure FDA0002809470240000012
当塑料为PE时，模拟方程如下：
PE:
Figure FDA0002809470240000013
式中：ρ为复合材料电阻率，单位Ω·m；Vf为石墨填充的体积分数，D与D’分别为球磨前后塑料粒径的大小。
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