CN108735336B - 导电混合聚合物材料 - Google Patents

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Abstract

文中描述了一种导电混合聚合物材料(10)。所述导电混合聚合物材料(10)包括按重量占0.01％到1％的碳纳米颗粒(12)、按重量占1％到10％的导电聚合材料(14)、1％到20％的具有金属表面的导电纤维(16)以及按重量占69％或更高的非导电聚合基底材料(18)。碳纳米颗粒(12)可以是碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和/或富勒烯纳米颗粒。导电聚合材料(14)可以是本征导电聚合物、自由基聚合物或者电活性聚合物。具有金属表面的导电纤维(16)可以是不锈钢纤维、镀金属碳纤维或金属纳米线。非导电聚合基底材料(18)可以选自在‑40℃和125℃之间的温度下为柔韧的材料或者在该温度范围内为刚性的材料。混合聚合物材料(10)可以用于为电组件的线缆或外壳提供EMI屏蔽。

Description

导电混合聚合物材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月18日提交的美国专利申请No.15/490249的优先权的权益。
技术领域
本发明总体上涉及一种导电聚合物材料，并且更具体而言涉及一种导电的混合聚合物材料。
背景技术
导电聚合物材料越来越多地代替金属材料用于电磁干扰(EMI)屏蔽、射频干扰(RFI)屏蔽和静电放电ESD保护。典型地，金属屏蔽件增加了零件总数，需要额外的制造步骤来组装，并且增加了成品的重量。将导电聚合物用于EMI、RFI和EDS屏蔽提供了重量减轻、减少的制造步骤(并且因此减少的成本)和更高的设计自由度。
如图1所示，导电聚合物1具有嵌入在非导电聚合物基质3中的导电填充材料2，例如，金属纤维。这些导电聚合物提供良好的贯穿平面导电性，但是具有高表面电阻。对于屏蔽应用而言，必须将电荷从内部导电填充材料转移到与导电聚合物材料的表面连接的地，而高表面电阻则妨碍该转移。有办法建立通往导电聚合物的表面的低电阻路径，但是其增加了制造过程的复杂度，并且因而增加了成本。
此外，由于导电填料颗粒之间的互连的低百分比，导电聚合物的导电效率低。在给定所并入的金属的量的情况下，电阻值比内部实际的金属量高很多倍。提高金属填充物的互连将降低电阻，并改善复合材料的屏蔽特性。改善填充物之间的这种互连还将降低逾渗阈值，或者降低实现合乎需要的导电性所需要的填充物的量。
在背景技术部分中讨论的内容不应因在背景技术部分中提及而仅仅被看作是现有技术。类似地，不应认为在背景技术部分中提及的问题或者与背景技术部分的主题相关联的问题是先前在现有技术中已经被认识到的。背景技术部分中的主题只是代表不同方案，其本身也可以是发明。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种导电混合聚合物材料。混合聚合物材料包括按重量占0.01％到1％的碳纳米颗粒、按重量占1％到10％的导电聚合材料、1％到20％的具有金属表面的导电纤维以及按重量占69％或更高的非导电聚合材料。
碳纳米颗粒可以是碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和/或富勒烯纳米颗粒。导电聚合材料可以是诸如聚丙氨酸、3,4-乙烯二氧噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐、以及4,4-环戊二烯并二噻吩的本征导电聚合物、自由基聚合物、和/或电活性聚合物。具有金属表面的导电纤维可以是不锈钢纤维、镀金属碳纤维和金属纳米线。
非导电聚合材料可以是聚乙烯、聚丙烯和/或聚氯乙烯。利用这些非导电聚合材料制成的混合聚合物材料在-40℃和125℃之间的温度下是大体上柔韧的。该混合聚合物材料可以用于形成包括被混合聚合物材料围绕的线缆的线缆组件。
替代地，非导电聚合材料可以是丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和/或聚酰胺。利用这些非导电聚合材料制成的混合聚合物材料在-40℃和125℃之间的温度下是大体上刚性的。该混合聚合物材料可以用于形成包括由混合聚合物材料形成的外壳的电组件。
根据本公开的另一实施例，提供了一种导电混合聚合物材料。混合聚合物材料实质上由按重量占0.01％到1％的碳纳米颗粒、按重量占1％到10％的导电聚合材料、1％到20％的具有金属表面的导电纤维、以及按重量占剩余百分比的非导电聚合材料构成。
碳纳米颗粒可以是碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和/或富勒烯纳米颗粒。导电聚合材料可以是诸如聚丙氨酸、3,4-乙烯二氧噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐、以及4,4-环戊二烯并二噻吩的本征导电聚合物、自由基聚合物、和/或电活性聚合物。具有金属表面的导电纤维可以是不锈钢纤维、镀金属碳纤维和金属纳米线。
非导电聚合材料可以是聚乙烯、聚丙烯和/或聚氯乙烯。利用这些非导电聚合材料制成的混合聚合物材料在-40℃和125℃之间的温度下是大体上柔韧的。该混合聚合物材料可以用于制作包括被混合聚合物材料围绕的线缆的线缆组件。
替代地，非导电聚合材料可以是丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和/或聚酰胺。利用这些非导电聚合材料制成的混合聚合物材料在-40℃和125℃之间的温度下是大体上刚性的。该混合聚合物材料可以用于制造包括由混合聚合物材料形成的外壳的电组件。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据现有技术的导电聚合物材料的放大截面图；
图2是根据本发明的实施例的混合导电聚合物材料的放大截面图；
图3是根据本发明的实施例的具有由图2的混合导电聚合物材料形成的屏蔽件的被屏蔽的线缆组件的剖视图；以及
图4是根据本发明的实施例的具有由图2的混合导电聚合物材料形成的外壳的电组件的分解透视图。
具体实施方式
本文中提出了一种导电混合聚合材料，其在下文中被称为混合导电聚合物。混合导电聚合物是非导电聚合基底材料、导电聚合材料和导电填充颗粒的组合，所述非导电聚合基底材料例如是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚酰胺，所述导电聚合材料例如是本征导电聚合物、自由基聚合物或电活性聚合物，所述导电填充颗粒例如是碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒、富勒烯纳米颗粒、不锈钢纤维、金属纳米线或者镀金属碳纤维(例如，镀铜碳纤维或者镀镍碳纤维)。
除了导电填充物之外的导电聚合物的组合允许在由导电填充颗粒形成的网络之间实现改进的连接。导电填充颗粒的取向必须是随机的并且发生接触，以在整个聚合物基质中转移电荷。通过添加导电聚合物，其桥接了导电填充颗粒之间的间隙，为混合导电聚合物赋予了均匀得多的导电性，而没有导电区域的“热点”。
由于在混合导电聚合物中包括导电聚合物，因而降低了表面电阻。在现有技术导电聚合物中，例如图1中所示，非导电聚合物富集层覆盖了将导电填充颗粒隔开的导电聚合物的表面。作为对比，混合导电聚合物中的导电聚合物提供穿过绝缘层与导电填充颗粒的表面接触。
该混合导电聚合物材料可以用于ESD/抗静电保护或者用于EMI/RFI屏蔽应用。对诸如控制器、模块和连接器的电部件的EMI屏蔽可以利用由混合导电聚合物材料形成的外壳来完成。很多应用中的金属屏蔽件可以被替换为模制混合导电聚合物部分。还可以将混合导电聚合物材料挤压到线缆上，以替换箔EMI屏蔽件和编织的EMI屏蔽件。
图2示出了混合导电聚合物10的一个非限制性示例，其具有的配方包括按重量占0.01％到1％的碳纳米颗粒12、按重量占1％到10％的导电聚合材料14、1％到20％的具有金属表面的导电纤维16、以及按重量占69％或更高的非导电聚合基底材料18。混合导电聚合物10还可以含有添加剂，例如着色剂、阻燃剂和加固填充物，它们不影响混合导电聚合物10的电特性。
碳纳米颗粒12可以是碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和/或富勒烯纳米颗粒。碳纳米颗粒12具有落在纳米尺度内的至少一个尺寸，所述纳米尺度通常处于1到100纳米的范围内。还应当理解，纳米颗粒的另一尺寸可以处于所述纳米尺度之外。例如，纳米颗粒可以是直径处于所述纳米尺度内但是长度大于所述纳米尺度的碳纳米管。
导电聚合材料14可以是本征导电聚合物，例如聚丙氨酸3、聚3,4-乙烯二氧噻吩3(PEDOT)、3,4-乙烯二氧噻吩3聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和4,4-环戊二烯并二噻吩(CPDT)。替代地或此外，导电聚合材料14可以是导电自由基聚合物，例如，聚(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-甲基丙烯酸酯)(PTMA)。替代地或此外，导电聚合材料14可以是电活性聚合物。如文中所使用的，电活性聚合物是包括并入在聚合物链的主链中的纳米金属的非导电聚合物，例如，聚乙烯或聚酰胺。
具有金属表面的导电纤维16可以是不锈钢纤维、金属纳米线或者镀金属碳纤维，例如，镀铜碳纤维或者镀镍碳纤维。这些导电纤维16可以处于纳米尺度内，即，具有落在1到100纳米的范围内的至少一个尺寸，或者这些导电纤维16可以处于微米尺度内，即具有落在1到100微米的范围内的至少一个尺寸。
碳纳米颗粒12，尤其是碳纳米管，具有大的纵横比，其使逾渗阈值急剧下降，并在高频上提供有效的EMI屏蔽。金属纤维16在高频和低频上都提供有效的EMI屏蔽。导电聚合材料14桥接了碳纳米颗粒12与金属纤维16之间的间隙，由此建立了更加均匀的导电性，降低了总电阻，并且降低了衬底的表面电阻，由此提高了EMI屏蔽的有效性。
非导电聚合基底材料18将基于混合导电聚合物10的应用来选择。例如，非导电聚合基底材料18可以是在标准汽车操作范围内的温度(即，处于-40℃和125℃之间)下大体上柔韧的材料，例如，聚乙烯、聚丙烯和/或聚氯乙烯。利用这些非导电聚合基底材料制成的混合导电聚合物10在标准汽车操作范围内的温度下也是柔韧的，并且可以用于在图3所示的被屏蔽的电缆组件内提供屏蔽件106。
图3所示的被屏蔽的线缆组件100的非限制性示例包括由诸如铜、铝或碳纳米管的导电材料形成的若干线股102。被挤压在线股之上的内部绝缘层104围绕所述线股，所述内部绝缘层由诸如聚乙烯、聚丙烯和/或聚氯乙烯的非导电(电介质)聚合物形成。通过将前面段落中描述的混合导电聚合物10挤压到内部绝缘层104之上从而使其围绕内部绝缘层104来形成屏蔽件106。被屏蔽的线缆组件100还可以包括但不限于被挤压到屏蔽件106之上的外部绝缘层108，其由诸如聚乙烯、聚丙烯和/或聚氯乙烯的非导电(电介质)聚合物形成。
对于其它应用而言，替代地，非导电聚合材料可以是在标准汽车操作范围内的温度(即，处于-40℃和125℃之间)下大体上刚性的材料，例如，丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和/或聚酰胺。利用这些非导电聚合基底材料制成的混合导电聚合物10在标准汽车操作范围内的温度下也是呈刚性的，并且可以用于图4所示的电组件的电磁屏蔽外壳。
图4所示的电组件200的非限制性示例包括具有多个电部件204和附接的端子206的印刷电路板(PCB)202。PCB 202、电部件204和端子206包含在前面段落中描述的例如通过注入模制工艺由混合导电聚合物10形成的外壳208内。电组件200还包括与端子206接口连接的连接器210。连接器210的连接器外壳212也可以由前面段落中描述的混合导电聚合物10形成。
相应地，提供了混合导电聚合物10。碳纳米颗粒12的包括降低了逾渗阈值，并且在高频上提供了有效的EMI屏蔽，而金属纤维16的包括则在高频和低频上都提供有效的EMI屏蔽。导电聚合材料14桥接了碳纳米颗粒12与金属纤维16之间的间隙，由此建立了更加均匀的导电性，降低了总电阻，并且降低了衬底的表面电阻，由此提高了EMI屏蔽的有效性。通过选择非导电基底聚合物，所得到的混合导电聚合物10可以是适合于在屏蔽线缆中使用的柔韧材料或者是适合于制作诸如控制器、模块和连接器的电组件的被屏蔽的外壳的刚性材料。
尽管所描述的示例涉及汽车应用，但是该混合导电聚合物10可以用于导电性特性是有益的其它应用中。
尽管已经依据本发明的优选实施例描述了本发明，但是这并非旨在使本发明受到这样的限制，相反本发明仅受到在下述权利要求中阐述的范围的限制。此外，术语第一、第二等的使用并非表示任何重要性次序，相反术语第一、第二等只是用于将一个要素与另一个要素区分开。此外，单数冠词的使用并不表示数量的限制，而是表示存在所提及的项目的至少其中之一。此外，诸如上方、下方等的方向性术语不表示任何特定取向，相反术语上方、下方等用于将一个要素与另一个要素区分开，并且在位置上建立各种要素之间的关系。

Claims (20)

1.一种导电混合聚合物材料(10)，包括：
按重量占0.01％到0.2％的碳纳米颗粒(12)，其中，所述碳纳米颗粒(12)的取向是随机的；
按重量占1％到10％的导电聚合材料(14)；
按重量占11％到20％的具有金属表面的导电纤维(16)；以及
按重量占69％或更高的非导电聚合材料(18)，
其中，所述碳纳米颗粒(12)、所述导电聚合材料(14)以及所述导电纤维(16)的重量百分比与所述碳纳米颗粒(12)的随机取向一起被配置为使得所述导电聚合材料(14)桥接了所述碳纳米颗粒(12)与所述导电纤维(16)之间的间隙，从而在整个所述导电混合聚合物材料中转移电荷。
2.根据权利要求1所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述碳纳米颗粒(12)选自由碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和富勒烯纳米颗粒组成的组。
3.根据权利要求1所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述导电聚合材料(14)选自由本征导电聚合物、自由基聚合物和电活性聚合物组成的组。
4.根据权利要求3所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述本征导电聚合物选自由聚丙氨酸、3,4-乙烯二氧噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐和4,4-环戊二烯并二噻吩组成的组。
5.根据权利要求1所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，具有金属表面的所述导电纤维(16)选自由不锈钢纤维、镀金属碳纤维和金属纳米线组成的组。
6.根据权利要求1所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述非导电聚合材料(18)选自由聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯组成的组。
7.根据权利要求6所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述导电混合聚合物材料(10)在-40℃和125℃之间的温度下是柔韧的。
8.根据权利要求1所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述非导电聚合材料(18)选自由丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚酰胺组成的组。
9.根据权利要求8所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述导电混合聚合物材料(10)在-40℃和125℃之间的温度下是刚性的。
10.一种线缆组件(100)，包括：
线缆(102)；以及
根据权利要求1-9中任一项所述的导电混合聚合物材料(10)，其围绕所述线缆(102)。
11.一种电组件(200)，包括由根据权利要求1-9中任一项所述的导电混合聚合物材料(10)形成的外壳(208)。
12.一种导电混合聚合物材料(10)，实质上由下述成分组成：
按重量占0.01％到0.2％的碳纳米颗粒(12)，其中，所述碳纳米颗粒(12)的取向是随机的；
按重量占1％到10％的导电聚合材料(14)；
11％到20％的具有金属表面的导电纳米纤维(16)；以及
按重量占剩余百分比的非导电聚合材料(18)，
其中，所述碳纳米颗粒(12)、所述导电聚合材料(14)以及所述导电纳米纤维(16)的重量百分比与所述碳纳米颗粒(12)的随机取向一起被配置为使得所述导电聚合材料(14)桥接了所述碳纳米颗粒(12)与所述导电纳米纤维(16)之间的间隙，从而在整个所述导电混合聚合物材料中转移电荷。
13.根据权利要求12所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述碳纳米颗粒(12)选自由碳纳米管、石墨纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒和富勒烯纳米颗粒组成的组。
14.根据权利要求12所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述导电聚合材料(14)选自由本征导电聚合物、自由基聚合物和电活性聚合物组成的组。
15.根据权利要求14所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述本征导电聚合物选自由聚丙氨酸、3,4-乙烯二氧噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐和4,4-环戊二烯并二噻吩组成的组。
16.根据权利要求12所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，具有金属表面的所述导电纳米纤维(16)选自由不锈钢纤维、镀金属碳纤维和金属纳米线组成的组。
17.根据权利要求12所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述非导电聚合材料(18)选自由聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯组成的组。
18.根据权利要求12所述的导电混合聚合物材料(10)，其中，所述非导电聚合材料(18)选自由丙烯酸树脂、聚酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚酰胺组成的组。
19.一种线缆组件(100)，包括：
线缆(102)；以及
根据权利要求12-18中任一项所述的导电混合聚合物材料(10)，其围绕所述线缆(102)。
20.一种电组件(200)，包括由根据权利要求12-18中任一项所述的导电混合聚合物材料(10)形成的外壳(208)。
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