CN108384087B - 一种高密度聚乙烯基导电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度聚乙烯基导电复合材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：(1)将导电填料、增强体填料和钛酸酯水合溶液混合后，进行高速剪切，使导电填料和增强体填料充分分散在钛酸酯水介子中，得到混合浆料；将混合浆料进行脱水，得到无机填料粉体；(2)将步骤(1)所得的无机填料粉体和高密度聚乙烯混合后密炼、造粒，得到颗粒物料；(3)将步骤(2)所得的颗粒物料热压成型，得到高密度聚乙烯基导电复合材料。本发明制得的复合材料导电板电导率＞100S/cm；弯曲强度为＞50MPa；电化学腐蚀速率＜10μA/cm2；与目前已有报道的导电复合材料相比，性能更优异，且工业化可行。

Description

一种高密度聚乙烯基导电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于工程材料制备技术领域，涉及有关导电复合材料的制备技术，具体地说，是一种具有导电功能的高密度聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
导电复合材料因具有良好的导电性能，高的比强度、比模量等一系列优越的机械性能，在储能技术，如钠硫电池、全钒液流电池、甲基磺酸铅液流电池等氧化还原液流电池领域得到了广泛应用。但由于常时间持续暴露在酸性的工况条件下，会导致性能恶化，特别是导电性能，缩短其使用期限。首先，电极材料要具有高的抗氧化性、耐腐蚀性，从而保证了电极材料使用寿命；其次，电极材料具备优良的导电性，减少了电流在电极板传输时的能量损耗，这也是电极材料选择基本要素之一；最后，电极材料要有良好的致密性及综合力学性能，满足电池在装配过程中的强度要求。
目前，已报道导电复合材料的电极板电导率＜10S/cm；弯曲强度为＜40MPa；电化学腐蚀速率＞15μA/cm2。有必要进一步改善导电板的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优异的导电功能、机械性能和耐电化学腐蚀性的高密度聚乙烯复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将导电填料、增强体填料和钛酸酯水合溶液混合后，进行高速剪切，使导电填料和增强体填料充分分散在钛酸酯水介子中，得到混合浆料；将混合浆料进行脱水，得到无机填料粉体；
(2)将步骤(1)所得的无机填料粉体和高密度聚乙烯混合后密炼、造粒，得到颗粒物料；
(3)将步骤(2)所得的颗粒物料热压成型，得到高密度聚乙烯基导电复合材料。
优选的，所述钛酸酯水合溶液的制备过程为：将钛酸酯加入去离子水中，在在45-55℃下磁力搅拌8-12min，形成钛酸酯水合溶液。
优选的，所述钛酸酯为三异硬脂酰基钛酸异丙酯、三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯或二(二辛基焦磷酰氧基)烃乙酸钛酸酯中的一种或多种。
优选的，所述步骤(1)中，所述导电填料为鳞片石墨和导电炭黑的混合物；所述增强体填料为短切碳纤维；所述鳞片石墨的粒径为100-400目，所述导电炭黑的粒径为30-40nm，所述短切碳纤维的长度＜2mm。
优选的，所述鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维、钛酸酯、去离子水和高密度聚乙烯的质量比为100∶15-25∶5.8∶2.4-2.6∶500∶40-55。
优选的，所述步骤(1)中，所述高速剪切的过程为：先在2500-3000r/min的转速下分散8-12min，使导电填料和增强体材料完全润湿；再在9000-11000r/min下高速剪切0.5-1.5小时。
优选的，所述脱水过程为：将混合浆料铺展至厚度＜5mm，再在80-120℃下进行真空抽提1-3h。
优选的，所述密炼温度为170-190℃，时间为1-3h。
优选的，所述热压成型温度为150-250℃，压力为100-150kgf/cm2，时间为20-30min。
各组分的作用说明：
高密度聚乙烯：无毒无味的白色颗粒，密度在0.952-0.956g/cm3，熔点约为142℃，具有良好的化学稳定性，较高的刚性和韧性，以及机械强度，拉伸断裂强度大于14MPa。高密度聚乙烯作为复合材料基体将导电填料和增强体材料粘结在一起，制备成具有一定机械性能、导电功能和耐电化学腐蚀的板材。
鳞片石墨粉：呈微米片层状结构，在100-400目粒径范围，含碳量为99.97％，本体电导率大于1×103S/cm。作为主要的导电材料，在电极材料导电性能中，起主导作用。
导电炭黑：采用乙炔炭黑，为黑色细粉末状，具有球形纳米颗粒结构(平均粒径30-40nm)，含碳量达到99.5％，导电炭黑的导电性1×103S/cm左右。在导电复合材料中，球形炭黑能够夹杂在片状石墨颗粒间，能够降低石墨颗粒的各向异性，起到石墨粉和聚乙烯的桥梁作用，从而降低了整个电极板的电阻。
短切碳纤维：碳纤维是一种含碳量高于95％的无机高分子材料，短切碳纤维长度小于2mm，拉伸强度＞3.5GPa、电导率小于0.8×103S/cm，具有耐腐蚀性强和良好的化学稳定性。在电极材料制备中，不影响导电性的前提下主要作为增韧材料。
偶联剂：钛酸酯偶联剂为水溶性单烷基焦磷酸酯型，能够改善无机填料(导电填料和增强体材料)与有机基体(高密度聚乙烯)之间的粘结力，又能够提高无机填料在基体中的分散度，增加无机填料的含量，从而在一定范围内可使复合材料电阻率有明显下降。
稀释剂：去离子水，在一定温度下通过去离子水稀释，钛酸酯偶联剂充分均匀地分散其中，借助高速剪切机提供流体层间剪切力分散无机纳米颗粒，实现无机材料表面改性，来改善无机填料在高密度聚乙烯中的分散性及界面粘结力。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的制备方法制得的高密度聚乙烯基导电复合材料。
对制得的导电复合材料进行性能测试，采用四探针法测量电导率，导电板电导率＞100S/cm；根据国标标准GB1449-2005-T，用三点弯曲法测得弯曲强度为＞50MPa；以3M的H2SO4为电解液，采用电化学直线极化法，可得到腐蚀速率＜10μA/cm2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的方法采用去离子水作为稀释剂将水溶性钛酸酯偶联剂分散稀释，利用流体层间剪切作用力将纳米无机填料充分分散在钛酸酯水介子中，实现无机填料表面水合偶联改性，这种改性方法能够充分的分散无机填料，采用去离子水作为稀释剂成本低，工业化可行。并借助密炼机，使无机填料与熔融态高密度聚乙烯密炼混合均匀，提高了无机填料与聚乙烯界面粘结强度，改善了聚乙烯基复合材料的导电性、机械性能和耐电化学腐蚀性。这种材料可以作为氧化还原液流电池导电板，能够提高电池的效率，延长电池的使用寿命。
2、通过本发明的方法制备的具有导电功能的高密度聚乙烯复合材料，经检测，导电板电导率＞100S/cm；弯曲强度为＞50MPa；电化学腐蚀速率＜10μA/cm2。与目前已有报道的导电复合材料相比，性能优异，且工业化可行。
附图说明
图1为实施例1制得的高密度聚乙烯基复合材料导电板。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为∶鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶15∶5.8∶2.4∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶15∶5.8∶40.将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为190℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和100kgf/cm2下30min热压成型，随炉冷却至室温后取出，制得导电板D，如图1所示。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为120S/cm；弯曲强度为为55MPa；腐蚀速率为9.5μA/cm2。
实施例2：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为：鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶25∶5.8∶2.6∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶25∶5.8∶55。将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为190℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和150kgf/cm2下30min热压成型，随炉冷却至室温后取出，制得导电板D。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为115S/cm；弯曲强度为65MPa；腐蚀速率为6μA/cm2。
实施例3：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为：鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶20∶5.8∶2.5∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶20∶5.8∶50。将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为190℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和150kgf/cm2下30min热压成型,随炉冷却至室温后取出，制得导电板D。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为125S/cm；弯曲强度为61MPa；腐蚀速率为8μA/cm2。
实施例4：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为：鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶15∶5.8∶2.6∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶15∶5.8∶55.将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为190℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和150kgf/cm2下30min热压成型,随炉冷却至室温后取出，制得导电板D。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为105S/cm；弯曲强度为59MPa；腐蚀速率为7μA/cm2。
实施例5：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为：鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶15∶5.8∶2.6∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶15∶5.8∶50。将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为180℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和150kgf/cm2下30min热压成型，随炉冷却至室温后取出，制得导电板D。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为107S/cm；弯曲强度为为56MPa；腐蚀速率7.5μA/cm2。
实施例6：
一种本发明的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维为导电填料及增强体材料，其重量百分比为：鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶三异硬脂酰基钛酸异丙酯∶去离子水＝100∶23∶5.8∶2.5∶500。首先将三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入盛有去离子水的烧杯中，在50℃温度下磁力搅拌10min，使三异硬脂酰基钛酸异丙酯充分水合分散在去离子水中，形成钛酸酯水合溶液；然后将鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维依次称重倒入高速剪切机的不锈钢桶中，并将50℃的钛酸酯水合溶液加入不锈钢桶中，封盖后将高速剪切机转速缓慢升到3000r/min，在3000r/min下分散10min；将高速剪切机转速缓慢升到10000r/min，高速剪切1小时，然后倒入不锈钢托盘中，厚度不应高于5mm，然后在真空抽提箱中以100℃的温度抽提2小时，脱去稀释剂，得到粉体A。
(2)以高密度聚乙烯为基体材料，使其重量百分比满足鳞片石墨∶导电炭黑∶短切碳纤维∶高密度聚乙烯＝100∶23∶5.8∶47。将上述的粉体A和高密度聚乙烯加入到密炼机中，密炼温度区间为170～190℃，设定时间为2h，粉体A充分均匀的分布在基体中，形成物料B。物料B通过造粒机形成直径为2-3mm的颗粒物料C。
(3)将物料C称重放入到热压模具中，在200℃保温10min，在200℃和150kgf/cm2下30min热压成型，随炉冷却至室温后取出，制得导电板D。
对制得的导电板D进行性能测试，导电板电导率为123S/cm；弯曲强度为为59MPa；腐蚀速率为6.8μA/cm2。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (6)

1.一种高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将导电填料、增强体填料和钛酸酯水合溶液混合后，进行高速剪切，使导电填料和增强体填料充分分散在钛酸酯水介质中，得到混合浆料；将混合浆料进行脱水，得到无机填料粉体；
(2)将步骤(1)所得的无机填料粉体和高密度聚乙烯混合后密炼、造粒，得到颗粒物料；
(3)将步骤(2)所得的颗粒物料热压成型，得到高密度聚乙烯基导电复合材料；所述钛酸酯水合溶液的制备过程为：将钛酸酯加入去离子水中，在 45-55℃下磁力搅拌 8-12min，形成钛酸酯水合溶液；
所述钛酸酯为三异硬脂酰基钛酸异丙酯或三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯中的一种或多种；
所述步骤(1)中，所述导电填料为鳞片石墨和导电炭黑的混合物；所述增强体填料为短切碳纤维；所述鳞片石墨的粒径为 100-400 目，所述导电炭黑的粒径为 30-40nm，所述短切碳纤维的长度＜2mm；
所述鳞片石墨、导电炭黑、短切碳纤维、钛酸酯、去离子水和高密度聚乙烯的质量比为100∶ 15-25∶ 5.8∶ 2.4-2.6∶ 500∶ 40-55。
2.根据权利要求 1 所述的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高速剪切的过程为：先在 2500-3000r/min 的转速下分散 8-12min，使导电填料和增强体材料完全润湿；再在 9000-11000r/min 下高速剪切 0.5-1.5 小时。
3.根据权利要求 2 所述的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述脱水过程为：将混合浆料铺展至厚度＜5mm，再在 80-120℃下进行真空抽提 1-3h。
4.根据权利要求 3 所述的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述密炼温度为 170-190℃，时间为 1-3h。
5.根据权利要求 4 所述的高密度聚乙烯基导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压成型温度为 150-250℃，压力为 100-150kgf/cm2 ，时间为20-30min。
6.一种如权利要求 1-5 任一项所述的制备方法制得的高密度聚乙烯基导电复合材料。
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