CN1364826A - 一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料,包括如下组份及其含量(重量份):苯乙烯100,石墨1.0－6.0,引发剂1.0－2.5,悬浮剂1.0－4.0。本发明还公开了一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料的制备方法。本发明的聚苯乙烯/石墨复合材料同时具有高电导率和良好力学性能、加工性能。
Description
本发明涉及一种导电聚苯乙烯复合材料，特别涉及一种聚苯乙烯与石墨组成的导电复合材料。
绝大多数聚合物材料如：聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯等是不导电的，然而在很多行业中往往对其制品的电性能有一定要求，如抗静电性等。聚合物材料电导率的提高通常是通过加入一定量的导电填料，由导电填料连接成导电通路，从而使聚合物材料具有一定的导电性。
波兰的J.Koszkul在Journal of Polymer Engineering 1998年第18卷第4期上报导了一种聚丙烯/炭黑导电复合材料，其炭黑的添加量在10-20wt％之间。Stephen H.Foulger在Journal of Applied polymerScience 1999年第72卷1573-1578页报导了一种高密度聚乙烯/炭黑导电复合材料，炭黑的添加量大于5wt％，材料的体积电导率为10-6S/cm，导电效果并不好。日本专利(特开平7-286103)公开了一种用炭黑和/或膨胀石墨与聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳、聚对苯二甲酸己二醇酯、聚苯硫醚等热塑性树脂机械共混制备导电复合材料的技术，导电填料含量大于12wt％，材料的电导率才能达到10-4S/cm数量级，并因为体系中导电填料填充量高，对聚合物树脂材料的强度和韧性损害较大。
已有技术中导电填料填充量大，渗滤阈值高，由于大量导电填料的加入，导致了导电复合材料力学性能和加工性能的下降，主要表现在：复合材料的流变性能变坏，加工难度增加，材料拉伸强度、断裂伸长率大幅度降低，材料的脆性增加。
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种同时具有高电导率和良好力学性能、加工性能的聚苯乙烯/石墨复合材料。
本发明的目的还在于提供一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料的制备方法。
本发明的聚苯乙烯/石墨导电复合材料，包括如下组份及其含量(重量份)：
苯乙烯 100
石墨 1.0-6.0
引发剂 1.0-2.5
悬浮剂 1.0-4.0
所述石墨为天然鳞片石墨、致密块状石墨的粉状颗粒，优选天然鳞片石墨，其颗粒度为100μm-500μm，在使用前应先经过酸化、膨胀处理，膨胀倍数应在100倍以上，优选在150倍以上。石墨的最佳含量为2.0-4.0(重量份)，当含量低于2.0份，石墨不易形成导电通路；当石墨含量超过4.0份，材料力学性能将会逐渐降低。
所述引发剂为过氧化十二酰、过氧化苯甲酰、过氧化特戊酸特丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈；所述悬浮剂为羧甲基纤维素、羧丙基纤维素、聚乙烯醇、明胶、聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠，优选为聚乙烯醇，其醇解度为80-90％，聚合度为1000-2000。
所述苯乙烯最好经减压蒸馏方法精制，以除去苯乙烯中的对苯二酚阻聚剂。
本发明聚苯乙烯/石墨导电复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：
1、将石墨在浓硫酸与浓硝酸的混合液中浸泡10-24小时，得到酸化石墨，浓硫酸与浓硝酸的优选比例为4∶1(重量份)。酸化石墨经水洗、干燥后，在马弗炉中加热处理，温度控制在900-1100℃，得到膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨。
2、将膨胀石墨加到100份(重量份)苯乙烯单体中搅拌，放置10-24小时后，将其加入到含有1.0-2.5(重量份)的引发剂，1.0-4.0(重量份)悬浮剂以及一定量水的反应器中，控制油水比1∶2-1∶5(重量份)，开始聚合反应，聚合温度60-100℃，氮气保护，反应6-10小时，得到黑色、细小颗粒的本发明产品。
尽管不打算局限于理论上的说明，但本发明可能存在的机理如下：
首先是通过石墨的酸化、膨胀处理，使石墨的体积扩大上百倍，大幅度提高石墨的比表面积，达到约50m2/g，增大石墨的吸附能力和吸油值。而后采用插层原位聚合的方法即通过聚合物单体等组份对石墨的表面处理、原位聚合等步骤，克服石墨片层间的相互作用力，进一步剥离石墨片层，同时使剥离的石墨片层均匀分散在聚合物基体中，得到聚合物/石墨导电复合材料。石墨粒子的膨胀、单体插层、片层剥离和原位聚合的过程，实际上大大增加了石墨粒子的有效添加量，使得聚合物/石墨导电材料在导电填料添加量较少的情况下，达到高的电导率，克服填充型导电复合材料加工流变性差和力学性能低的问题。
下面将结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
将颗粒度为500μm的天然鳞片石墨在浓硫酸与浓硝酸4∶1(重量份)的混合液中浸泡24小时，然后将石墨滤出、水洗、干燥后，放入马弗炉中加热膨胀，温度控制在900℃，得到膨胀倍数为178倍的膨胀石墨。将2.8克膨胀石墨加到100克苯乙烯单体中搅拌，放置15小时后，将其加入到含有2.3克的过氧化苯甲酰，3.0克醇解度为88％，聚合度为1700±50的聚乙烯醇以及400克水的反应器中，开始聚合反应，聚合温度80℃，氮气保护，反应时间8小时，得到呈黑色、细小颗粒的聚合物。所得聚合物导电复合材料的力学性能和电导率数据见表1。
实施例2：
制备步骤同实施例1，将上述石墨含量增加至4.2克，所得聚合物导电复合材料的力学性能和电导率数据见表1。
实施例3：
制备步骤同实施例1，将上述石墨含量增加至5.0克，所得聚合物导电复合材料的力学性能和电导率数据见表1。
实施例4：
100克苯乙烯单体，2.3克的过氧化苯甲酰，3.0克醇解度为88％，聚合度为1700±50的聚乙烯醇以及400克水的反应器中，开始聚合反应，聚合温度80℃，氮气保护，反应时间8小时，所得聚合物材料的力学性能和电导率数据见表1。
表1聚合物材料的力学性能和电导率数据实施例 石墨含量 电导率 拉伸强度 拉伸断裂 弯曲模量编号 (重量份) (s/cm) (MPa) 伸长率 (GPa)
(％)4 0 10-16 78.6 10.7 1.041 2.8 3.2×10-8 77.0 10.2 1.072 4.2 4.4×10-4 72.6 9.4 1.153 5.0 2.3×10-2 60.1 7.1 1.19
Claims (8)
1.一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，包括如下组份及其含量(重量份)：
苯乙烯 100
石墨 1.0-6.0
引发剂 1.0-2.5
悬浮剂 1.0-4.0
所述石墨为天然鳞片石墨、致密块状石墨的粉状颗粒，在使用前先经过酸化、膨胀处理，膨胀倍数在100倍以上；
所述引发剂为过氧化十二酰、过氧化苯甲酰、过氧化特戊酸特丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈；
所述悬浮剂为羧甲基纤维素、羧丙基纤维素、聚乙烯醇、明胶、聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠。
2.根据权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，其特征在于所述石墨为天然鳞片石墨，其颗粒度为100μm-500μm。
3.根据权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，其特征在于所述石墨的含量为2.0-4.0(重量份)。
4.根据权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，其特征在于所述石墨膨胀倍数在150倍以上。
5.根据权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，其特征在于所述的悬浮剂为聚乙烯醇，其醇解度为80-90％，聚合度为1000-2000。
6.根据权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料，其特征在于所述苯乙烯经减压蒸馏方法精制。
7.权利要求1的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：
1、将石墨在浓硫酸与浓硝酸的混合液中浸泡10-24小时，得到酸化石墨；酸化石墨经水洗、干燥后，在马弗炉中加热处理，温度控制在900-1100℃，得到膨胀倍数在100倍以上的膨胀石墨；
2、将膨胀石墨加到100份(重量份)苯乙烯单体中搅拌，放置10-24小时后，将其加入到含有1.0-2.5(重量份)的引发剂，1.0-4.0(重量份)悬浮剂以及一定量水的反应器中，控制油水比1∶2-1∶5(重量份)，开始聚合反应，聚合温度60-100℃，氮气保护，反应6-10小时，得到黑色、细小颗粒的本发明产品。
8.根据权利要求7的一种聚苯乙烯/石墨导电复合材料的制备方法，其特征在于所述浓硫酸与浓硝酸的比例为4∶1(重量份)。
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