CN117551317B - 一种低居里点正温度系数高分子复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低居里点正温度系数高分子复合材料及其制备方法和应用,涉及正温度系数材料技术领域,制备方法包括:使无规共聚物熔融后,得到熔融料;使所述熔融料、脂肪醇类和导电填料混合,得到混合料;使所述混合料进行成型处理之后,得到低居里点正温度系数高分子复合材料。本申请的制备方法采用一种以脂肪醇类作为相变材料、免溶剂、全熔融且可工业化的熔融密炼共混方法,弥补了目前居里温度在常温段的PTC材料室温电阻大、重复性差且易出现NTC效应的弊端,且该低居里点正温度系数高分子复合材料具备低的低温电阻率、低居里温度和高PTC强度。
Description
技术领域
本申请涉及正温度系数材料技术领域,尤其涉及一种低居里点正温度系数高分子复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
PTC(Positive Temperature Coefficient,正温度系数)材料是一种具有正温度系数效应的热敏材料。PTC材料的电阻率在温度较低时基本保持不变或仅有较小变化;当温度超过居里温度时,PTC材料的电阻率随温度升高而急剧增大,这一现象被称为PTC效应。与PTC效应相对的是NTC(Negative Temperature Coefficient,负温度系数)效应,即材料的电阻率随温度升高而下降的效应,在正温度系数材料使用过程中一般要避免产生NTC效应。
PTC材料的研究和发展均较为广泛,但是对PTC材料研究和应用主要局限于高温领域,主要是因为被广泛应用的高分子基PTC复合材料的居里温度点普遍较高(50-300℃),难以满足常温段的使用需求。
目前有研究人员以石蜡或者其他正烷烃类物质作为相变材料,制备出一系列具有室温居里温度的高分子基PTC材料,但这些材料仍然存在低温电阻率高,PTC重复性差的问题,在实际应用中仍存在些许弊端。同样也有研究人员采用溶液法制备出低居里温度PTC材料,通过将聚合物与导电材料都分散在有机溶剂中制备得到,虽然材料具有低居里温度和较低的室温电阻率,但有机溶剂的使用一定程度限制了其工业应用。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题,本申请提供了一种低居里点正温度系数高分子复合材料及其制备方法和应用,以克服现有PTC材料居里温度高、室温电阻率大、重复性较差以及易出现NTC效应等问题。
为了实现上述目的,本申请实施例的技术方案是:
本申请的第一方面提供一种低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,该制备方法包括:
使无规共聚物熔融后,得到熔融料;
使所述熔融料、脂肪醇类和导电填料混合,得到混合料;
使所述混合料进行成型处理之后,得到低居里点正温度系数高分子复合材料。
结合第一方面优选地,所述导电填料:无规共聚物:脂肪醇类的质量比为1:0.3-9.5:0.75-15.2。
结合第一方面优选地,所述无规共聚物为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA;所述EVA为EVA18、EVA28、EVA35和EVA40中的一种或几种。
结合第一方面优选地,所述脂肪醇类为十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇以及正烷烃醇衍生物中的一种或几种。
结合第一方面优选地,所述导电填料为碳系导电粒子;所述碳系导电粒子为炭黑、碳纳米管、石墨粉和石墨烯中的一种或几种。
结合第一方面优选地,所述使无规共聚物熔融时,熔融温度为100-130℃。
结合第一方面优选地,所述使所述混合料进行成型处理时,通过热压机将所述混合料压制成低居里点正温度系数高分子复合材料,所述低居里点正温度系数高分子复合材料的厚度为0.5-10mm。
本申请的第二方面提供一种第一方面所述方法制备的低居里点正温度系数高分子复合材料。
本申请的第三方面提供一种第二方面所述的低居里点正温度系数高分子复合材料用于制备正温度系数材料中的应用。
与现有技术相比,本申请实施例的有限或有益效果至少包括:
本申请实施例提供的制备方法采用一种以脂肪醇类作为相变材料、免溶剂且全熔融的熔融密炼共混方法,一方面,弥补了目前居里温度在常温段的PTC材料室温电阻大、重复性差且易出现NTC效应的弊端,且该低居里点正温度系数高分子复合材料具备低的低温电阻率、低居里温度和高PTC强度;另一方面,制备工艺简单且无需借助任何溶剂作为加工介质,减少了制备工艺成本,能够实现可工业化制备低居里点正温度系数高分子复合材料;第三方面,加工过程是可工业化的熔融密炼共混以及热压成型,具有很大的工业化应用前景。
本申请的低居里点正温度系数高分子复合材料采用无规共聚物作为复合材料的支撑基体,由于无规共聚物具备较大熔点和高粘度,在脂肪醇类融化并将导电网络破坏后,能够阻止熔融状态脂肪醇类的流动,可以防止导电网络重新形成,从而避免NTC效应发生;另一方面,由于脂肪醇类相变材料的加入,能够使低居里点正温度系数高分子复合材料的材料电阻在脂肪醇类相变材料熔点附近发生很大的突变,从而实现低居里温度点和很高的PTC强度;第三方面,该脂肪醇类相变材料的加入可以使导电填料在低居里点正温度系数高分子复合材料中分散更加均匀,导电网络更加密实,从而实现导电填料的低填充和室温电阻低。
附图说明
图1是实施例1的低居里点PTC高分子复合材料在升/降温下的温度-电阻率特性图;
图2是实施例1的低居里点PTC高分子复合材料的温度-电阻率特性循环曲线图;
图3是实施例1的低居里点PTC高分子复合材料与对比例1的普通PTC复合材料的温度-电阻率特性对比图;
图4是实施例1的低居里点PTC高分子复合材料在不同质量分数导电粒子的PTC强度图。
图5是实施例1的低居里点PTC复合材料与对比例3的溶液法PTC复合材料的温度-电阻率特性对比图。
实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述,所描述的实施例不应视为对本申请的限制,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中,涉及到“一些实施例”,其描述了所有可能实施例的子集,但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集,并且可以在不冲突的情况下相互结合。除非另有定义,本申请实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请实施例所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的,不是旨在限制本申请。
在本实施例以下描述中,术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”等均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
需要说明的是,本申请实施例中的所有原料/试剂均可在市场上购买或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备获得;本申请实施例中的术语“和/或”仅用于描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B表示单独存在A、单独存在B、同时存在A和B的三种情况,其中,A、B可以为单数或复数,字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本实施例以下描述中,术语“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b或c中的至少一项(个)”,或,“a,b和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。
本领域技术人员应当理解,在本申请实施例以下描述中,序号的先后并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
本领域技术人员应当理解,在本申请实施例中的数值范围应理解为还具体公开该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值和陈述范围内的中间值以及其他任何陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本申请内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的技术/科学术语具有本申请所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本申请仅描述优选的方法和材料,但在本申请的实施例或测试例中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通常引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本申请书的内容为准。
第一方面,本申请实施例提供一种低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,该制备方法包括:
使无规共聚物熔融后,得到熔融料;
使所述熔融料、脂肪醇类和导电填料混合,得到混合料;
使所述混合料进行成型处理之后,得到低居里点正温度系数高分子复合材料。
本申请实施例提供的制备方法采用一种以脂肪醇类作为相变材料、免溶剂、全熔融且可工业化的熔融密炼共混方法,一方面,弥补了目前居里温度在常温段的PTC材料室温电阻大、重复性差且易出现NTC效应的弊端,且该低居里点正温度系数高分子复合材料具备低的低温电阻率、低居里温度和高PTC强度;另一方面,制备工艺简单且无需借助任何溶剂作为加工介质,减少了制备工艺成本,能够实现可工业化制备低居里点正温度系数高分子复合材料;第三方面,加工过程是可工业化的熔融密炼共混以及热压成型,具有很大的工业化应用前景。
具体实施例中,导电填料:无规共聚物:脂肪醇类的质量比为1:0.3-9.5:0.75-15.2。其中,当导电填料:无规共聚物:脂肪醇类的质量比小于1:0.3-9.5:0.75-15.2时,合成的正温度系数高分子材料由于无规聚合物量太少,导致材料较脆,容易损坏,且在升温后材料形状不能保持,容易坍塌;当导电填料:无规共聚物:脂肪醇类的质量比大于1:0.3-9.5:0.75-15.2时,由于无规共聚物与相变材料质量比例过大,导致正温度系数高分子材料在升温时导电网络不能被完全破坏,导致PTC效应变弱。
具体实施例中,本申请实施例的无规共聚物优选为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA。其中EVA优选为EVA18、EVA28、EVA35和EVA40中的一种或几种。
其中,该些EVA在正温度系数高分子材料中,起到基体材料和改性剂的作用,能够为正温度系数高分子材料提供优异的电学性能和温度响应性能。
具体实施例中,本申请实施例的脂肪醇类优选为十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇以及正烷烃醇衍生物中的一种或几种。
其中,该些脂肪醇类起到使导电填料分散更均匀,使导电网格更密实,以及使导电填料的低填充和室温电阻低。
具体实施例中,本申请实施例的导电填料优选为碳系导电粒子。其中,碳系导电粒子优选为炭黑、碳纳米管、石墨粉和石墨烯中的一种或几种。
其中,该些导电填料起到形成导电网络结构的作用。
具体实施例中,本申请实施例的使无规共聚物熔融时,熔融温度优选为100-130℃。其中,当熔融温度低于100℃时,无规聚合物由于粘度太大不能与导电填料和相变材料混合均匀;当熔融温度高于130℃时,由于温度过高,相变材料会出现挥发现象,不利于加工。
具体实施例中,本申请实施例的使混合料进行成型处理时,通过热压机将混合料压制成低居里点正温度系数高分子复合材料,低居里点正温度系数高分子复合材料的厚度优选为0.5-10mm。其中,当低居里点正温度系数高分子复合材料的厚度小于0.5mm时,材料太薄,电阻率过低,导电网络不易破坏,PTC性能受到严重影响,PTC强度大幅减弱;当低居里点正温度系数高分子复合材料的厚度大于10mm时,材料厚度大,初始电阻率太大,限制了材料的使用范围。
第二方面,本申请实施例还提供第一方面所述方法制备的低居里点正温度系数高分子复合材料。
本申请实施例公开的低居里点正温度系数高分子复合材料通过完全熔融的无规共聚物、脂肪醇类和导电填料的复配,一方面,弥补了目前居里温度在常温段的PTC材料室温电阻大、重复性差且易出现NTC效应的弊端,且该低居里点正温度系数高分子复合材料具备低的低温电阻率、低居里温度和高PTC强度。
第三方面,本申请实施例还提供第二方面所述的低居里点正温度系数高分子复合材料用于制备正温度系数材料中的应用。
下面将结合具体实施例对本申请的技术方法作进一步地阐述。
实施例1-7
本实施例1-7提供一种低居里点PTC复合材料PTC1-7的制备方法,具体步骤如下:
(1)将一定质量的EVA加入转矩流变仪中,设置转矩流变仪的温度为130℃,转速为20rpm,混合3min,直至EVA完全熔融,得到熔融料。
(2)向上述熔融料中加入对应质量的脂肪醇类和导电填料,在温度130℃、转速为20rpm的条件下混合1min,之后,将转速调至100rpm混合20min,得到混合料。
(3)将混合料通过热压机压制成30*30*5mm的长方体块状样品,冷却至室温,即得到低居里点PTC复合材料,记为PTC1-7。
对于上述制备的低居里点PTC复合材料PTC1-7的组分条件作以汇总,对应的低居里点PTC复合材料PTC1-7的低温电阻率(ρ 10℃ )、居里温度及PTC强度(P=Lg(ρ max /ρ min ,ρ max 为材料最大电阻率,ρ min 为材料最小电阻率)等性能进行了测试,各项性能测试结果如表1所示。
表1为实施例1-7的组分条件、低温电阻率、居里温度和PTC强度的对照表
对比例1-2
本对比例1-2提供一种普通PTC复合材料PTC8-9的制备方法,具体步骤如下:
(1)将一定质量的EVA加入转矩流变仪中,设置转矩流变仪的温度为130℃,转速为20rpm,混合3min,直至EVA完全熔融,得到熔融料。
(2)向上述熔融料中加入对应质量的导电填料,在温度130℃、转速为20rpm的条件下混合1min,之后,将转速调至100rpm混合20min,得到混合料。
(3)将混合料通过热压机压制成30*30*5mm的长方体块状样品,冷却至室温,即得到普通PTC复合材料,记为PTC8-9。
对于上述制备的普通PTC复合材料PTC8-9的组分条件作以汇总,对应的普通PTC复合材料PTC8-9的低温电阻率(ρ 10℃ )、居里温度及PTC强度等性能进行了测试,各项性能测试结果如表2所示。
表2为对比例1-2的组分条件、低温电阻率、居里温度和PTC强度的对照表
对比例3
本对比例3提供一种溶液法PTC复合材料PTC10的制备方法,具体步骤如下:
(1)按照确定配比称取对应质量的EVA与相变材料,将两者加入合适大小的烧杯中,倒入适量二甲苯溶液,在均质搅拌机搅拌并加热条件下溶解,其中,分散均质机转速为1000rpm/min,混合温度为80℃。
(2)待EVA与相变材料都完全溶解在二甲苯溶液后,加入对应质量的导电填料,继续恒温搅拌10min,得到混合溶液。
(3)将所得混合溶液用超声波清洗仪在超声频率为37.1Hz,超声温度为55℃的条件下超声1h,得到目标产物的混合溶液。
(4)将一定量的混合溶液用流平法平铺与50mm*50mm大小的纱布上,待流平后,在60℃的恒温干燥箱内烘干10min;稍干后取出,再加入同样量的混合液在前面烘干样品上,流平后继续放入恒温在60℃的干燥箱内,按上述步骤在纱布上平铺并流平5次。
(5)将上述所得材料与纱布一齐放入60℃电热鼓风干燥箱中先恒温烘干1h,挥发掉大部分的二甲苯溶剂,再调节干燥箱温度到100℃继续烘干2h,挥发掉残余的二甲苯溶剂,然后将烘干的产品随烘箱冷却至室温,即得到所制备的溶液法PTC复合材料,记为PTC10。
对于上述制备的溶液法PTC复合材料PTC10的组分条件作以汇总,对应的溶液法PTC复合材料PTC10的低温电阻率(ρ 10℃ )、居里温度及PTC强度等性能进行了测试,各项性能测试结果如表3所示。
表3为对比例3的组分条件、低温电阻率、居里温度和PTC强度的对照表
从上述表1-3和图5可知,实施例1与对比例3相比,在正温度系数高分子复合材料的低温电阻率相同的条件下,第一,对比例3需要添加更多含量的导电填料;第二,对比例3需要借助溶剂溶解制备,制备工艺较为复杂、加工时间过长且产量过低,无法进行工业化生产;第三,对比例3制备的正温度系数高分子复合材料的PTC强度更低且具有NTC效应,这是因为溶液法制备的复合材料中无规共聚物并不能将相变材料均匀包裹,导致相变材料熔化后仍然具有一定的流动性,从而导电网络恢复产生NTC效应。
需要说明的是,为了验证低居里温度点PTC复合材料的性能,本申请采用可程式恒温恒湿试验箱与同惠电子TH2515直流电阻测试仪分别对实施例1-7和对比例1-3进行表征,表征结果如表1-3所示,测试结果表明实施例1-7所制备的低居里温度点PTC复合材料表现出较低的低温电阻率、低居里温度和高PTC强度,而对比例1-2制备的普通高分子复合材料表现出较高的低温电阻率、高居里温度和低PTC强度。
为验证本申请的技术效果,将实施例1-7制备的低居里点PTC复合材料、对比例1-2制备的普通PTC复合材料,以及对比例3制备的溶液法PTC复合材料进行性能分析,结果为图1至图5所示。其中,图1是实施例1的低温PTC复合材料在升温和降温下的温度-电阻率特性图;图2是实施例1的低居里点PTC复合材料的温度-电阻率特性循环曲线图;图3是实施例1的低居里点PTC复合材料与对比例1的普通PTC复合材料的温度-电阻率特性对比图;图4是实施例1的低居里点PTC复合材料在不同质量分数导电粒子的PTC强度图;图5是实施例的低居里点PTC复合材料与对比例3的溶液法PTC复合材料的温度-电阻率特性对比图。
根据图1可知,在10℃至55℃范围内,以2℃/min加热速率对PTC材料加热,测试其电阻率随温度变化,PTC材料样品的居里温度在35℃左右,略低于十四醇的熔点39.5℃,居里温度过后PTC材料的电阻率达到峰值,且达到峰值后PTC材料的电阻率随温度继续升高还会略微增加,不会出现负温度系数效应,且在材料温度下降后基本上能回到初始电阻率。实施例1所制备的低居里点PTC复合材料具有低的低温电阻率、低居里温度、高PTC强度,且无NTC效应,并且低居里点PTC复合材料在降温后能恢复到初始电阻值。低居里点PTC复合材料的电阻率曲线存在偏差,这是因为十四醇存在一个过冷度,结晶温度与熔融温度有差值导致低居里点PTC复合材料在降温过程中,在没有达到结晶温度前,脂肪醇类相变材料依然保持熔融状态,导电网络保持断开状态,当温度达到结晶温度时,脂肪醇类相变材料开始凝固结晶,同时将导电填料包裹导电网络逐渐恢复,低居里点PTC复合材料的电阻率快速下降,最终恢复至初始电阻率。
根据图2可知,实施例1所制备的低居里点PTC复合材料具有很好的PTC循环重复性和稳定性,低居里点PTC复合材料在升降温30次循环后仍然可以能保持与初始循环相同的PTC性能,那是因为无规聚合物的较高熔点和粘度,能够保证在脂肪醇类相变材料融化破坏导电网络后不流动,脂肪醇类相变材料的位置不改变,低居里点PTC复合材料形状保持不变,降温后能恢复到初始状态,因此多次循环后低居里点PTC复合材料性能基本与初始状态保持一致。这表明低居里温度点正温度系数高分子复合材料不仅具有优异的PTC性能,而且还具有很好的重复性和稳定性。
根据图3可知,在加入相同种类和质量分数的导电填料,普通PTC复合材料表现出很高的低温电阻率,较弱的PTC强度,并伴随有NTC效应的发生,这因为在没有添加脂肪醇类相变材料情况下,导电填料在无规聚合物中不能均匀分散,形成导电通路更少,低温电阻率高,并且只有在接近无规聚合物熔点时,由于无规聚合物基体热膨胀导致导电网络有所破坏发生,电阻率变大产生较小的PTC效应,且居里温度高,但由于温度继续升高,无规聚合物内部带动导电填料流动而重新形成导电网络使材料电阻率下降发生NTC效应。因此,脂肪醇类相变材料的添加能够在一定程度上降低NTC效应的产生。
根据图4可知,实施例1所制备的低居里点PTC复合材料的导电填料一定质量分数范围内,低居里点PTC复合材料的PTC效应随着导电填料增加而更加明显,因为在导电填料粒子较少时,低居里点PTC复合材料形成的导电网络较少,低居里点PTC复合材料初始电阻率相对较高,当温度升高后低居里点PTC复合材料导电网络基本全部被破坏而变成半绝缘状态,随着导电填料含量增加材料初始电阻率变低,温度升高后低居里点PTC复合材料导电网络依然能全部破坏变成半绝缘状态,因此在更高导电填料含量下,低居里点PTC复合材料在整个变化的温度范围内最高与最低电阻率的差值更大,即PTC强度更大,PTC效应更明显。
根据图5可知,溶液法PTC复合材料在达到相同初始电阻率所需要的导电填料更多,且PTC强度更低并伴随着NTC效应。这是因为通过溶液法制备PTC复合材料时,月桂酸这种相变材料在溶液中较为分散,对导电填料的包裹作用较弱,导致导电填料的分散没有选择性,因此,达到相同电阻率所需要的导电填料更多,同时,由于导电填料较多,相变材料包裹作用弱,在升温过程中相变材料的融化不能将所有的导电网络破坏达到半绝缘状态,因此表现出相对较低的PTC强度,溶液法制备的PTC复合材料中无规共聚物并不能将相变材料均匀包裹,导致相变材料熔化后仍然具有一定的流动性,相变材料流动过程中会带动导电粒子生成新的导电网络,导致材料电阻率降低,即产生NTC效应。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,其特征在于,包括:
使乙烯-醋酸乙烯酯EVA在100-130℃下熔融后,得到熔融料;
使所述熔融料、脂肪醇类和碳系导电粒子混合,得到混合料;
使所述混合料进行成型处理之后,得到低居里点正温度系数高分子复合材料;
其中,所述碳系导电粒子:所述乙烯-醋酸乙烯酯EVA:所述脂肪醇类的质量比为1:0.3-9.5:0.75-15.2;通过热压机将所述混合料压制成低居里点正温度系数高分子复合材料,所述低居里点正温度系数高分子复合材料的厚度为0.5-10 mm。
2.根据权利要求1所述的低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,其特征在于,所述EVA为EVA18、EVA28、EVA35和EVA40中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,其特征在于,所述脂肪醇类为十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的低居里点正温度系数高分子复合材料的制备方法,其特征在于,所述碳系导电粒子为炭黑、碳纳米管、石墨粉和石墨烯中的一种或几种。
5.一种根据权利要求1-4任一所述方法制备的低居里点正温度系数高分子复合材料。
6.一种根据权利要求5所述的低居里点正温度系数高分子复合材料用于制备正温度系数材料中的应用。
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