CN113321899B - 膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料及其制备方法和应用，属于导电复合材料技术领域。该复合材料由质量百分比含量为40％–70％的膨胀石墨和30％–60％的聚醚醚酮组成，原料粉末置于装有有机溶剂的容器中，经均质机高速剪切分散后进行超声处理，烘干，得到的膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料在175–185℃加压至20MPa并冷压10–20min，卸压至常压后，加热至385–395℃并保温20–40min，自然冷却至室温得到。本发明的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料兼具高的导电性和良好的机械性能，通过大功率超声处理结合烧结热压成型工艺协同实现复合材料的高导电性能，可用于精密仪器和高腐蚀工作场合。

Description

膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于导电复合材料技术领域，具体涉及膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
石墨的性质介于金属与非金属之间，一定程度上兼具二者的优势，具备以下特性：优异的耐高温性能、数倍于其他非金属材料的导电性、极低的热膨胀系数、高温下几乎不发生形变以及强的化学稳定性，是一种综合性质优异的导电填料。但是，由于石墨的表面能低以及自身易团聚的特性，其作为导电填料与树脂复合时往往出现类似于微裂纹和气孔，降低复合材料的力学性能，且力学性能降低的程度随着石墨含量的增加而变大。现有技术中，膨胀石墨/聚醚醚酮(PEEK)复合材料存在改善电学性能的同时导致其力学性能大幅度降低的问题，从而限制其应用。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明的第一目的是提供膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，实现复合材料高电导率的同时保持良好的力学性能。
本发明的第二目的是提供上述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料的制备方法，采用超声处理工艺结合烧结热压成型，工艺简单，易于产业化生产。
本发明的第三目的是提供上述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料在精密仪器和高腐蚀工作环境中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，以膨胀石墨为导电基体、聚醚醚酮为粘接材料经过烧结热压成型得到电导率为45.73–137s/cm的片材结构，按照质量百分比含量计由40％–70％的膨胀石墨和30％–60％的聚醚醚酮组成。
优选地，所述膨胀石墨为2500目的膨胀石墨。
本发明的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料具有如下优势：导电率高和机械强度好。
本发明还提供所述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预混合：按照配比称取膨胀石墨和聚醚醚酮的粉末置于装有有机溶剂的容器中，经均质机高速剪切分散进行预混合；
(2)超声处理：向步骤(1)中原料预混合后的容器内插入超声发生器探头进行超声处理，烘干，得到膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料；
(3)烧结热压成型：将模具预热至175–185℃后，取出表面均匀涂覆脱模剂，待所述脱模剂干燥后，将步骤(2)得到的膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料装模，保持温度为175–185℃的条件下加压至20MPa并冷压10–20min，卸压至常压后，加热至加工温度为385–395℃并保温20–40min，自然冷却至室温后脱模，得到膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料。
优选地，步骤(1)中，所述有机溶剂为无水乙醇，且所述膨胀石墨和无水乙醇的质量体积比为4–7：300(g/mL)。
优选地，步骤(1)中，所述均质机的转速为10000rpm，处理时间为0.5h。
优选地，步骤(2)中，所述超声处理的功率为20KHz，处理时间为2h。
优选地，步骤(2)中，所述烘干温度为95℃，处理时间为6h。
优选地，步骤(2)中，所述超声处理在所述容器密封或冰水浴的条件下进行，如此是避免膨胀石墨和聚醚醚酮的混合体系在超声处理过程中局部放热严重导致有机溶剂挥发从而影响体系分散效果和污染环境的问题。
优选地，步骤(3)中，保持温度为180℃冷压15min。
优选地，步骤(3)中，在加工温度为390℃保温30min。
本发明还提供所述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料在精密仪器和高腐蚀工作环境中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料兼具高的导电性和良好的机械性能，通过大功率超声处理膨胀石墨和聚醚醚酮的混合体系，不仅可以大大提高膨胀石墨和聚醚醚酮粉末的均匀分散效果，还可以大幅降低膨胀石墨片层厚度，进行有效的层间剥离从而提高其比表面积，同时结合烧结热压成型工艺最大限度地保留复合材料内部的导电通道，两者协同作用实现在低膨胀石墨含量的条件下复合材料的高导电性能，膨胀石墨含量为60％时电导率即可达82s/cm；现有技术如文献记载(石墨导电复合材料制备及性能研究，张华勇等)，以膨胀石墨为导电填料，以乙烯基酯树脂为基体采用模压成型方法制备石墨/PPS导电复合材料，当PPS含量为25％(即石墨含量为75％)时材料的电导率为106.3s/cm，弯曲强度为48.324MPa，石墨含量在60％时电导率不足40s/cm。
参考以下详细说明更易于理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更显著：
图1是实施例中采用的膨胀石墨(a)未超声处理和(b)超声处理的原子力显微镜(AFM)测试图片；
图2是实施例中制备膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料的工艺流程示意图；
图3是实施例1中制备的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材的照片；
图4是实施例中制备的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材的导电率与膨胀石墨含量变化关系；
图5是实施例中制备的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材的弯曲强度与膨胀石墨含量变化关系。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中采用的膨胀石墨为2500目的膨胀石墨，市售可得。如图1所示，(a)和(b)分别为未超声处理和超声处理后的膨胀石墨原子力显微镜(AFM)测试图片，证明超声处理膨胀石墨可以大幅降低其片层厚度，实现其层间剥离从而提高比表面积。
以下实施例中采用的聚醚醚酮为粉料，市售可得。
如图2所示，以下实施例中制备膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料的工艺流程如下：
(1)原料预混合：按照膨胀石墨和聚醚醚酮的质量百分比含量分别为40％–70％和30％–60％称取原料粉末并置于装有无水乙醇的容器中，经转速为10000rpm的均质机高速剪切分散预混合0.5h，膨胀石墨和无水乙醇的质量体积比为4–7：300(g/mL)；
(2)超声处理：向步骤(1)中原料预混合后的容器内插入超声发生器探头，在功率为20KHz和容器密封或冰水浴的条件下超声处理2h，95℃烘干6h，得到膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料；
(3)烧结热压成型：将模具预热至175–185℃后，取出表面均匀涂覆脱模剂，待脱模剂干燥后，将步骤(2)得到的膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料装模，保持温度为175–185℃的条件下加压至20MPa并冷压10–20min，卸压至常压后，加热至加工温度为385–395℃并保温20–40min，自然冷却至室温后脱模，得到片材结构的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为70％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤如下：
称取3.5g膨胀石墨和1.5g聚醚醚酮的粉末并置于装有150mL无水乙醇的烧杯中，插入均质机探头，在转速为10000rpm的条件下高速剪切分散预混合0.5h；保持无水乙醇的量为150mL并将烧杯置于冰水浴中，插入超声发生器探头，在频率20KHz的条件下超声处理2h，取出烧杯置于真空烘箱中，在95℃烘干处理6h，得到膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料；
将平板硫化机预热至180℃后，模具表面打磨干净后置于平板硫化机中预热15min，取出，其表面均匀涂覆脱模剂，待脱模剂干燥后，将1.5g膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料装模，合模，20MPa加压15min，卸压升温至390℃，达到温度后保温30min，关闭加热自然冷却至室温，脱模，得到片材结构的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，如图3所示。
采用四探针对上述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为137s/cm，平均弯曲强度为55.55MPa。
实施例2
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为67.5％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤与实施例1相同，采用四探针对得到的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为127s/cm，平均弯曲强度为56.59MPa。
实施例3
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为65％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤与实施例1相同，采用四探针对得到的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为113.5s/cm，平均弯曲强度为59.95MPa。
实施例4
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为60％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤与实施例1相同，采用四探针对得到的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为82.64s/cm，平均弯曲强度为66.79MPa。
实施例5
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为50％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤与实施例1相同，采用四探针对得到的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为54.03s/cm，平均弯曲强度为79.60MPa。
实施例6
本实施例中制备膨胀石墨质量百分含量为40％的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料片材，步骤与实施例1相同，采用四探针对得到的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料进行多点位置的电导率测试，其弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，结果如图4和5所示，平均电导率为45.73s/cm，平均弯曲强度为89.00MPa。

Claims (8)

1.膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，以膨胀石墨为导电基体、聚醚醚酮为粘接材料经过烧结热压成型得到电导率为45.73–137s/cm的片材结构，按照质量百分比含量计由40％–70％的膨胀石墨和30％–60％的聚醚醚酮组成；
所述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)原料预混合：按照配比称取膨胀石墨和聚醚醚酮的粉末置于装有有机溶剂的容器中，经均质机高速剪切分散进行预混合；
(2)超声处理：向步骤(1)中原料预混合后的容器内插入超声发生器探头进行超声处理，烘干，得到膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料；
(3)烧结热压成型：将模具预热至175–185℃后，取出表面均匀涂覆脱模剂，待所述脱模剂干燥后，将步骤(2)得到的膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料装模，保持温度为175–185℃的条件下加压至20MPa并冷压10–20min，卸压至常压后，加热至加工温度为385–395℃并保温20–40min，自然冷却至室温后脱模，得到膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料。
2.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，所述膨胀石墨为2500目的膨胀石墨。
3.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂为无水乙醇，膨胀石墨和无水乙醇的质量体积比为4–7：300(g/mL)。
4.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，步骤(1)中，所述均质机的转速为10000rpm，处理时间为0.5h。
5.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，步骤(2)中，所述超声处理的功率为20KHz，处理时间为2h；所述烘干温度为95℃，处理时间为6h。
6.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，步骤(2)中，所述超声处理在所述容器密封或冰水浴的条件下进行。
7.根据权利要求1所述的膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料，其特征在于，步骤(3)中，步骤(2)得到的膨胀石墨/聚醚醚酮混合粉料在180℃冷压15min，在加工温度为390℃保温30min。
8.权利要求1至7任一项所述膨胀石墨/聚醚醚酮高导电复合材料在精密仪器或者高腐蚀工作环境中的应用。
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