專利名稱：一種高溫低炭黑含量聚合物基ptc復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于現(xiàn)代電子和電氣工程領(lǐng)域的聚合物基PTC復(fù)合材料，涉及一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前聚合物PTC材料的應(yīng)用主要以聚乙烯(PE)、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、 聚偏氟乙烯(PVDF)等單組分結(jié)晶或半結(jié)晶聚合物為基體材料，以性價(jià)比高的導(dǎo)電炭黑 (CB)為導(dǎo)電填料。隨著現(xiàn)代科技的日新月異，高分子PTC材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，單一結(jié)構(gòu)的聚合物基PTC材料已經(jīng)難以滿足社會(huì)的需要，綜合性能更加優(yōu)良的聚合物共混物及復(fù)合材料，是目前國(guó)內(nèi)外一項(xiàng)十分活躍的研究課題。通過(guò)共混可使兩種或多種聚合物組成一個(gè)穩(wěn)定體系，在性能上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，其價(jià)格又可大幅降低。其中CB填充雙組份聚合物基PTC復(fù)合材料由于較以往單一聚合物基PTC復(fù)合材料具有更低的滲流閾值和更優(yōu)良的機(jī)械加工性能，在聚合物基PTC材料的研究和開(kāi)發(fā)中越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料，其特征在于，有以下物質(zhì)組成聚合物基體材料、鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電填料、抗氧劑1010及阻燃劑 Al (OH)3;所述聚合物基體材料為體積比為4 1 1 4的聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯 (PVDF)；所述的鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電材料占鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB與聚合物基體材料總體積的1.0-16%;其中，CB與酞酸酯偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為100 1;所述抗氧劑1010為總質(zhì)量的0. 4%，阻燃劑Al (OH) 3用量為總體質(zhì)量的2%。復(fù)合材料的制備包括以下步驟(I)CB的表面處理為了增大CB在復(fù)合材料中的分散性，采用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行前期處理，將CB放入鈦酸酯偶聯(lián)劑的異丙醇溶液中，使CB與酞酸酯偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為 100 1，置入球磨罐中，球磨2. 后于烘箱中蒸發(fā)溶劑，然后置于真空烘箱中120°C條件下反應(yīng)lh，得到CB導(dǎo)電填料；(2)復(fù)合稱取PVDF和PP以及步驟(1)得到的CB，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為 1. 0 16%，并加入占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%的抗氧劑和2%的阻燃劑，其中PVDF和PP體積比為1 4 4 1，在200°C下混煉10分鐘，取出聚合物基復(fù)合材料待用。(3)成型在熱壓機(jī)上以200°C，18MPa恒壓10分鐘，即可得到。本發(fā)明具有以下有益效果1.通過(guò)在雙組份聚合物中添加導(dǎo)電炭黑，經(jīng)熔融共混復(fù)合技術(shù)制備出一種耐高溫的聚合物基PTC材料。2.這種復(fù)合材料有著優(yōu)異的導(dǎo)電性能及PTC性能，在填料含量很低的情況下，就可以明顯提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，而且能夠在較低填料含量時(shí)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的PTC強(qiáng)度。3.這種材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合材料中填料的含量改變復(fù)合材料的導(dǎo)電性，而且由于電導(dǎo)率隨著填料變化進(jìn)行相應(yīng)的連續(xù)的穩(wěn)定變化，因此可以較為精確的控制復(fù)合材料的
室溫電導(dǎo)率。4.采用熔融共混的方法進(jìn)行復(fù)合，可以使得兩相聚合物均勻混合及導(dǎo)電填料能夠較為均勻的在基體中分散，從而得到較低的電阻率及穩(wěn)定的PTC性能。5.復(fù)合后的材料具有較高的工作溫度。


圖1實(shí)施例2當(dāng)PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為2% (fCB = 2% )時(shí)復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片圖2實(shí)施例2當(dāng)PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為2% (fCB = 2% )時(shí)復(fù)合材料薄膜放大100倍的光學(xué)顯微照片圖3當(dāng)PVDF/PP體積比為1/1，CB不同體積含量(fCB)時(shí)復(fù)合材料室溫導(dǎo)電性能圖4復(fù)合材料室溫導(dǎo)電性能及復(fù)合材料滲流閾值(a)PVDF/PP體積比分別為1/4，1/2，1/1,2/1,4/1, CB體積分?jǐn)?shù)分別為2%和3% (fCB = 2%,3%)時(shí)復(fù)合材料的室溫導(dǎo)電性能；(a’ )從導(dǎo)電特性發(fā)現(xiàn)所研究的復(fù)合材料滲流閾值fc圖5PVDF/PP體積比不同、CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )時(shí)復(fù)合材料導(dǎo)電性能隨溫度變化特性，即PTC性能其中1-實(shí)施例5 2-實(shí)施例63-實(shí)施例7 4-實(shí)施例8具體實(shí)施方法以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的一種說(shuō)明，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例是實(shí)際應(yīng)用例子，對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員很容易掌握并驗(yàn)證。如果在本發(fā)明的基礎(chǔ)上做出某種改變，那么其實(shí)質(zhì)并不超出本發(fā)明的范圍。實(shí)例1(1)將Ig鈦酸酯偶聯(lián)劑溶解在IOOOml異丙醇中，在攪拌作用下使其充分稀釋均勻，將IOOgCB放入鈦酸酯偶聯(lián)劑溶液中，使CB與酞酸酯偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為100 1，置入球磨罐球磨2. 5h，于烘箱中120°C下烘除溶劑。將烘干后的CB顆粒置于真空烘箱中，抽真空在120°C下恒溫lh，使其充分反應(yīng)并干燥，最終得到所需要的表面功能化的CB顆粒；(2)按PVDF和PP體積比為1 1分別稱取31g聚偏氟乙烯，16g聚丙烯以及0. 68g 步驟(1)得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為1%，l.Og阻燃劑Al (OH)3 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% )及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至 200°C混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料；(3)將步驟( 得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMPa條件下恒溫恒壓10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為(fCB =1% )的圓片試樣；(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，樣品室溫下的導(dǎo)電性能如圖3所示。實(shí)例2(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為1 1分別稱取31g聚偏氟乙烯，16g聚丙烯以及1. 3g 步驟(1)得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為2%，1. Og阻燃劑Al(OH)3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% )及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至 200°C混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料；(3)將步驟( 得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMPa條件下恒溫恒壓10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為2% (fCB =2% )的圓片試樣；(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，樣品的斷面SEM掃描圖及復(fù)合材料薄膜的光學(xué)顯微照片如圖1和圖2所示。實(shí)例3(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為1 1分別稱取30g聚偏氟乙烯，15g聚丙烯以及11. 6g 步驟(1)得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為16%，l.Og阻燃劑Al (OH)3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% )及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至200°C混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料；(3)將步驟( 得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMPa條件下恒溫恒壓10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為16% (fCB =16% )的圓片試樣；(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，樣品室溫下的導(dǎo)電性能如圖3所示。實(shí)例 4(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為4 1分別稱取42g聚偏氟乙烯，5. 3g聚丙烯，1. 7g 步驟(1)得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為3%，1. Og阻燃劑Al (OH)3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% )及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至 200°C混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料。(3)將步驟( 得到的得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMpa條件下恒溫恒壓 10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為4/1，CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )的圓片試樣。(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，其室溫導(dǎo)電性能見(jiàn)圖4。實(shí)例 5(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為2 1分別稱取37g聚偏氟乙烯，9. 5g聚丙烯，1. 8g 步驟⑴得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為3%，1.0g阻燃劑A1(0H)3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% )及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至 200°C混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料。(3)將步驟⑵得到的得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMpa條件下恒溫恒壓 10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為2/1，CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )的圓片試樣。(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，室溫導(dǎo)電性能見(jiàn)圖4，PTC性能見(jiàn)圖5中的 1。實(shí)例6(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為1 1分別稱取30g聚偏氟乙烯，15g聚丙烯，2. Og步驟 ⑴得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為3%，1. Og阻燃劑Al (OH) 3 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% ) 及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至200°C 混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料。(3)將步驟( 得到的得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMpa條件下恒溫恒壓 10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/1，CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )的圓片試樣。(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，室溫導(dǎo)電性能見(jiàn)圖4，PTC性能見(jiàn)圖5中的 2。實(shí)例7(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為1 2分別稱取2 聚偏氟乙烯，24g聚丙烯，2. 2g步驟 ⑴得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為3%，1. Og阻燃劑Al (OH) 3 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% ) 及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至200°C 混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料。(3)將步驟( 得到的得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMpa條件下恒溫恒壓 10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/2，CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )的圓片試樣。(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，其室溫導(dǎo)電性能見(jiàn)圖4，PTC性能見(jiàn)圖5中的3。實(shí)例8(I)CB顆粒的表面處理工藝同實(shí)例1。(2)按PVDF和PP體積比為1 4分別稱取16g聚偏氟乙烯，32g聚丙烯，2. 5g步驟 ⑴得到的炭黑，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為3%，1. Og阻燃劑Al (OH) 3 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% ) 及0. 2g抗氧劑1010 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% )，混合后加入Hakke轉(zhuǎn)矩流變儀中，升溫至200°C 混煉10分鐘，得到聚合物基復(fù)合材料。(3)將步驟( 得到的得到的復(fù)合材料在熱壓機(jī)上200°C，ISMpa條件下恒溫恒壓10分鐘，自然冷卻，壓制成厚1mm，直徑12mm的含PVDF/PP體積比為1/4，CB體積分?jǐn)?shù)為3% (fCB = 3% )的圓片試樣。(4)在步驟(3)得到的試樣兩端涂覆導(dǎo)電銀漿于100°C處理lh，自然降溫后穩(wěn)定 Mh，使銀漿與芯片材料達(dá)到歐姆接觸，然后測(cè)試，其室溫導(dǎo)電性能見(jiàn)圖4，PTC性能見(jiàn)圖5中的4。從圖3當(dāng)PVDF/PP體積比為1/1，CB不同體積含量(fCB)時(shí)復(fù)合材料室溫導(dǎo)電性能，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVDF/PP體積比為1 1時(shí)，所研究的復(fù)合材料滲流閾值在‘為3%左右的時(shí)候出現(xiàn)。從圖4合材料室溫導(dǎo)電性能及復(fù)合材料滲流閾值中可以看出復(fù)合材料滲流閾值 f c非常低，僅為3%。
權(quán)利要求
1.一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料，其特征在于，有以下物質(zhì)組成聚合物基體材料、鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電填料、抗氧劑1010及阻燃劑Al (OH) 3 ；所述聚合物基體材料為體積比為4 1 1 4的聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)；所述的鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電材料占鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB與聚合物基體材料總體積的1.0-16% ；其中，CB與酞酸酯偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為100 1 ；所述抗氧劑1010為總質(zhì)量的 0.4%,阻燃劑Al (OH)3用量為總體質(zhì)量的2%。
2.權(quán)利要求1的一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 包括以下步驟(1)CB的表面處理為了增大CB在復(fù)合材料中的分散性，采用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行前期處理，將CB放入鈦酸酯偶聯(lián)劑的異丙醇溶液中，使CB與酞酸酯偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為 100 1，置入球磨罐中，球磨2. 后于烘箱中蒸發(fā)溶劑，然后置于真空烘箱中120°C條件下反應(yīng)lh，得到CB導(dǎo)電填料；(2)復(fù)合稱取PVDF和PP以及步驟(1)得到的CB，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為1.0 16%，并加入占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的抗氧劑和2%的阻燃劑，其中PVDF和PP體積比為 1 4 4 1，在200°C下混煉10分鐘，取出聚合物基復(fù)合材料待用；(3)成型在熱壓機(jī)上以200°C，ISMPa恒壓10分鐘，即可得到。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫低炭黑含量聚合物基PTC復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的PTC復(fù)合材料有以下物質(zhì)組成體積比為4∶1～1∶4的聚丙烯和聚偏氟乙烯的聚合物基體材料、鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電填料、抗氧劑1010及阻燃劑Al(OH)3；CB導(dǎo)電材料占CB導(dǎo)電材料與聚合物基體材料總體積的1.0-16％，抗氧劑1010為總質(zhì)量的0.4％，阻燃劑Al(OH)3為總體質(zhì)量的2％。其制備方法包括CB的表面處理，稱取PVDF和PP以及上述鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理的CB導(dǎo)電填料，使CB導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)為1.0～16％，并加入占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4％的抗氧劑和2％的阻燃劑，其中PVDF和PP體積比為1∶4～4∶1，在200℃下混煉10分鐘，在熱壓機(jī)上熱壓即可。復(fù)合材料有著優(yōu)異的導(dǎo)電性能及PTC性能，具有較高的工作溫度。
文檔編號(hào)C08K3/04GK102190830SQ20101012353
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者黨智敏, 徐海萍 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)