CN1333002C

CN1333002C - 一种纳米温度记忆材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN1333002C
Application number: CNB200510029442XA
Authority: CN
Inventors: 潘跃进; 吴东来; 魏征
Original assignee: Shanghai Zhongda Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhongda Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: CN1730802A

Abstract

本发明涉及一种纳米温度记忆材料及其制备方法和应用。纳米温度记忆材料制备方法包括以下步骤：(1)5～70%的纳米碳黑粉体加入0.1%～3%的表面改性剂，采用高速搅拌机进行表面改性；(2)加入1%～7%的水溶性粘合剂；(3)加入纯净水；(4)水溶性粘合剂与纯净水混合均匀；(5)加入0.1～3%的分散剂；(6)将上述混合物置于振动球磨机中进行分散处理。本发明所公开纳米温度记忆材料，其优点表现在：该材料具有显著的“温度记忆”自控温功能，制成的温度记忆材料其工艺先进，可操作性强，可用于各类纺织面料、导电面料、室内外装饰工程材料。

Description

一种纳米温度记忆材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明关于一种纳米材料，特别关于一种纳米温度记忆材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，对外界刺激能产生智能响应的纤维和纺织品的研究和开发已引起人们的极大关注，一些专家将机敏纺织品(smart textiles)看作是纺织服装工业的未来。而导电纤维和织物已成为这类纺织品开发的基础，其研究和应用已不仅仅局限于消除静电和吸收电磁波，当聚合物基体中掺入一定量的导电粒子(如碳黑、石墨、金属氧化物等)后，可以制成具有PTC效应(即Positive Temperature Coefficient)的有机PTC材料。这种材料的显著特点是电阻随温度呈非线性变化，并在临界组成区域表现出独特的PTC特性，随温度变化材料的结构和性能具有可回复性，当温度升高或降低，材料能自动沿曲线进行自我调节，因此，有人将其称为“温度记忆材料”。利用这一特性制成的自控加热元件，在施加一定交流或直流电压后，能迅速升温，并恒定在预定温度，从而起到一种“智能化”的调温功能和灵敏的“开关”效应。用作高分子复合材料的导电填料主要有金属粉末和碳黑两大类。其品种有：金属纤维(不锈钢纤维、铜纤维、铝纤维、镍纤维等)、有机导电纤维。有机导电纤维又包括普通纺织纤维镀金属、普通纺织纤维镀碳；碳黑、石墨、金属或金属氧化物等导电性物质与普通高聚物共混或复合纺丝制成的导电纤维；导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维。但在实际应用中发现，不论采用共混或复合纺丝及涂覆于纤维表面等办法，仍存在有机导电纤维纺丝或混纺困难，纤维受到摩擦或弯折时碳黑及金属粉末易脱落，导电导热性能下降，因此并未得到广泛应用。采用导电填料中的金属粉末易表面氧化、制品遇水易腐蚀以及填充量偏高(高于纳米类碳黑类材料50％)，价格昂贵等缺点，使其在应用上受到了很大限制。而碳黑类导电填料较金属粉末类来源丰富、价格低廉、不易氧化，因此一般PTC材料都采用碳黑导电材料。本发明区别于以上方法，采用涂层、浸渍、浸轧整理或与其它材料混合应用的办法，将纳米温度记忆材料应用于纺织面料、导电面料、服装服饰、家用纺织品、橡塑材料、电缆材料、复合材料、及室内外装饰工程材料中。通过以上原理将导电碳黑制成上述半导电材料，当半导电材料施加一定的交流或直流电压后，该材料消耗电能而迅速发热升温，电能转化热能，碳黑的电热转换率非常快，当温度不断升高后，半导电材料受热膨胀，但导电碳黑粒子体积膨胀率小于半导电材料膨胀率，造成导电粒子之间距离加大，半导电材料电阻逐步增加，当温度继续升高到一定的数值时，电阻急剧增加甚至无穷大，半导电材料几乎绝缘形成断路，电流很小，温度下降。当温度降低时，导电粒子之间距离减少，半导电材料的电阻减少，电流增加，温度上升。经过上述多次反复，并将温度恒定在预定的范围时，从而达到一种智能化的具有温度记忆特征的自动和控温材料。为保证纳米温度记忆材料的质量，同时，需解决纳米碳黑粉体在使用中分散性不匀，易发生团聚的问题。以上问题会导致纳米碳素胶混合体系不稳定，甚至产生颗粒，不能有效发挥纳米温度记忆材料的应有作用和效果

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供(1)一种纳米温度记忆材抖；(2)一种纳米温度记忆材料制备方法；(3)纳米温度记忆材料应用。本发明的目的是通过以下技术方法来实现的：通过纳米技术对碳黑类材料进行纳米微粉化，因为导电率的高低与碳黑粒子大小及其分布、形状、结构、孔隙度有关，当碳黑材料达到纳米尺度后，比表面积增大，表面原子数，表面能和表面张力随着粒径的下降急剧增加，表现出如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等纳米特性导致材料的各项性能不同于正常粒子，碳黑粒子越小，有利于形成链式导电结构，可大大改变和提高其导电导热性能。对纳米碳黑颗粒进行表面改性处理，其方法有等离子处理法或气相沉积法、微波等离子体聚合法等方法。可改善纳米碳黑粒子表面物理化学性质、改变和提高碳黑粒子与基体的界面结合能力和相容性及导电性能。另外进行分散处理，其方法有超声分散或机械分散、润湿分散等方法。分散度越大，其导电率越高。通过上述办法，制备稳定的纳米碳黑粉体与水溶性涂层胶，能有效解决纳米温度记忆材料在涂层或浸渍、浸轧中分散性不匀和易团聚问题。

碳黑类材料(国内市场有售)主要选用导电类碳黑、乙炔碳黑、石墨碳黑、炉法碳黑、槽法碳黑。本发明采用导电性好的特导电碳黑或乙炔碳黑、石墨碳黑等，通过纳米技术将碳黑纳米粉体化，其粒径为30-200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²/g，采用物理化学的方法对纳米碳黑粉体实施机械形式的表面改性和分散处理。

本发明纳米材温度记忆料按重量百分比该组合物主要由以下组分组成：

纳米碳黑粉体 5～70％

表面改性剂 0.1％～3％

分散剂 0.1％～3％

水溶性粘合剂 1％～7％

纯净水余量。

表面改性剂选自钛酸酯或硬脂酸。

分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物。

水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙稀酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物。

本发明纳米温度记忆材料的制法：5-70％的纳米碳黑粉体加入0.1％-3％的表面改性剂(表面改性剂选自钛酸酯或硬脂酸)对纳米碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度2500转～3000转/分钟，时间3～6小时。然后进行分散处理，分散处理前，加入1％-7％的水溶性粘合剂(含固量30-50％，粘度800-4000mpa.s水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙稀酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物)与纯净水(余量)进行混合均匀，再加入分散剂0.1～3％(分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物)，将上述的混合物(改性后的纳米碳黑材料、粘合剂与水、分散剂)一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散，振动球磨机转速3000转～4000转/分钟，时间15-20小时。制成水溶性的纳米温度记忆材料，该材料呈黑色水溶性液体，粘度100-500mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。

本发明所公开纳米温度记忆材料，其优点表现在：

1.工艺先进，可操作性强，可用于各类纺织面料、导电面料、室内外装饰工程材料、橡塑材料、电缆材料、防冻材料、复合材料、服装服饰、家用纺织品等的涂层及浸渍、浸轧整理或与其它材料混合应用。

2.通过纳米温度记忆材料开发的各种材料、产品其稳定性好，耐折弯和耐摩擦性好，导电导热性能好，可替代空调、水暖、气暖，能耗和综合费用低，节能是空调的50％以上，远红外发射率＞80％，蓄热功能好，保温时间是供热时间的4倍以上，节能效果显著。

3.原料来源丰富，碳黑材料不易氧化、遇水不腐蚀，填充量是金属粉末类的5 0％左右，价格低廉，投入成本低，且安全可靠，无毒无味，无腐蚀，无噪音。

4.纳米温度记忆材料可产生远红外和负离子功能，有效阻隔电磁波，对人体健康十分有益且环保无污染。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

50g的纳米碳黑粉体(华光HG-1P型粉状特导电碳黑，由山东淄博市临淄华光化工厂提供其粒径30～200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²/g)加入1g的钛酸酯，采用高速搅拌机进行表面改性，转速3500转/分，时间3小时，然后进行分散处理。分散处理前，先将10g的聚氨酯(含固量30-50％，粘度800-4000mpa.s)与919g纯净水混合均匀，再将30g的聚羧酸钠盐型共聚物及上述混合物一齐置于振动球磨机中分散处理，振动球磨机转速4000转/分，时间15小时，即制成水溶性的纳米温度记忆材料，该材料呈黑色水溶性液体，粘度500mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。

实施例2

700g的纳米碳黑粉体(华光HG-1P型粉状特导电碳黑，由山东淄博市临淄华光化工厂提供其粒径30～200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²m²/g)，加入20g的硬脂酸，采用高速搅拌机进行表面改性，转速3000转/分，时间4小时，然后进行分散处理。分散处理前，先将70g的丙稀酸聚合物粘合剂(含固量30-50％，粘度800-4000mpa.s)与119g的纯净水混合均匀，再将1g的聚羧酸钠盐型共聚物及上述混合物一齐置于振动球磨机中分散处理，振动球磨机转速3000转/分，时间20小时，即制成水溶性的纳米温度记忆材料，该材料呈黑色水溶性液体，粘度100mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。

实施例3

240g的纳米碳黑粉体乙炔碳黑，武汉金丹乙炔碳黑厂提供其粒径30～200nm，比电阻1.9Ω.m，比表面积＞100m²/g)加入8g的钛酸酯，采用高速搅拌机进行表面改性，转速2500转/分，时间5小时，然后进行分散处理。分散处理前，先将32g的聚酰胺聚合物粘合剂(含固量30-50％，粘度800-4000mpa.s)与504g的纯净水混合均匀，再将64g的含氧基共聚物及上述混合物一齐置于振动球磨机中分散处理，振动球磨机转速3500转/分，时间17小时，即制成水溶性的纳米温度记忆材料，该材料呈黑色水溶性液体，粘度200mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。

实施例4

245g的纳米碳黑粉体(华光HG-1P型粉状特导电碳黑和乙炔碳黑各占50％，由山东淄博市临淄华光化工厂和武汉金丹乙炔碳黑厂提供其粒径30～200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²/g)加入21g的硬脂酸，采用高速搅拌机进行表面改性，转速3200转/分，时间5小时，然后进行分散处理。分散处理前，先将35g的乙烯氧乙烯聚合物粘合剂(含固量30-50％，粘度800-4000mpa.s)与392g的纯净水混合均匀，再将7g聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物、含氧基共聚物混合物及上述混合物一齐置于振动球磨机中分散处理，振动球磨机转速3800转/分，时间19小时，即制成水溶性可涂层的纳米温度记忆材料，该材料呈黑色水溶性液体，粘度200mpa.耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。

Claims

1、一种纳米温度记忆材料，其特征在于：按重量百分比该组合物主要由以下组分组成：

纳米碳黑粉体 5～70％

表面改性剂 0.1％～3％

分散剂 0.1％～3％

水溶性粘合剂 1％～7％

纯净水余量

所述的纳米碳黑粉体其粒径30～200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²/g。

2、根据权利要求1的纳米温度记忆材料，其特征在于：选自钛酸酯或硬脂酸作为表面改性剂。

3、根据权利要求1的纳米温度记忆材料，其特征在于：分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物。

4、根据权利要求1的纳米温度记忆材料，其特征在于：水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙烯酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物。

5、根据权利要求1的纳米温度记忆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)5～70％的纳米碳黑粉体加入0.1％～3％的表面改性剂，采用高速搅拌机进行表面改性；(2)加入1％～7％的水溶性粘合剂；(3)加入纯净水；(4)水溶性粘合剂与纯净水混合均匀；(5)加入0.1～3％的分散剂；(6)将上述混合物置于振动球磨机中进行分散处理；所述的纳米碳黑粉体其粒径30～200nm，比电阻0.5Ω.cm，比表面积＞100m²/g。

6、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：表面改性剂选自钛酸酯或硬脂酸。

7、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物。

8、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙烯酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物。

9、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：高速搅拌机转速2500转～3500转/分钟，时间3～6小时。

10、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：振动球磨机转速3000转～4000转/分钟，时间15～20小时。

11、根据权利要求5的制备方法，其特征在于：制成的水溶性纳米温度记忆材料粘度100～500mpa.s。

12、根据权利要求1的纳米温度记忆材料在导电面料及室内外装饰工程材料、服装服饰涂层中应用。