專利名稱：低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料及其制備方法與應用的制作方法
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料及其制備方法與應用技術領域
本發(fā)明涉及一種低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料及其制備方法與應用，屬于復合材料技術領域。
背景技術：
隨著微型計算機控制技術的發(fā)展，作為機-電變換器用的電位計等電阻元件須滿足高分辨率、高精度、長使用壽命等諸多要求，對于精密電位計還要具有高環(huán)境穩(wěn)定性(耐溫性)和低電阻溫度系數(shù)等特性。
早期的精密電位計是合成碳膜電位計，但是合成碳膜電位計存在線性度差、耐潮性以及阻值穩(wěn)定性差的缺點，逐步被導電塑料電位計所取代。現(xiàn)有的導電塑料電位計電阻元件是以具有導電性的炭黑、石墨作為粘結劑的樹脂，再加上各種添加劑，一起混合為漿料，采用印刷、噴涂等方式使之涂覆在基片上，在一定溫度下固化而成，該類電位計雖然克服了合成碳膜電位計的線性度差、耐潮性以及阻值穩(wěn)定性差等缺點，但是經(jīng)過電刷多次滑行后，容易引起導電組分的磨損和脫落，影響其使用壽命和可靠性。
結構型導電聚苯胺，既具有金屬的導電性和塑料的可加工性，同時還具備金屬和塑料所欠缺的化學和電化學性能，近幾年作為電位計電阻體材料被廣泛研究。
結構型導電聚苯胺，經(jīng)過溶液加工后，可與基體樹脂實現(xiàn)分子水平的復合，如 Heeger等(Pysical Review B, 50 (1994) :13931)利用導電聚苯胺(PANi)與甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料共混，實現(xiàn)了二組分水平的復合，雖然該復合材料具有優(yōu)良的均勻性和較低的導電閾值，用于電位計電阻體材料能夠獲得較好的線性度、輸出平滑性和耐磨性，但其很難克服電阻變化率大的弊端。發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術中精密電位計的電阻體高溫下電阻變化率大的缺點，本發(fā)明提供一種低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料及其制備方法與應用。
本發(fā)明提供一種低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，該復合材料的組成及重量百分比為導電聚苯胺溶液5-60wt% ;導電碳材料3-35被％;基體樹脂10-30 wt% ;余量為溶劑。
優(yōu)選的是，所述的導電聚苯胺溶液為十二烷基苯磺酸(DBSA)摻雜聚苯胺 (DBSA-PANi)的二甲苯或者甲苯溶液。
優(yōu)選的是，所述的導電碳材料為導電炭黑、導電石墨、碳納米管和碳纖維中的一種或多種，更優(yōu)選的是，所述的導電碳材料為導電炭黑和導電石墨的混合。
優(yōu)選的是，所述的基體樹脂為環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑、聚氨酯樹脂和丙烯酸樹脂中的一種或兩種，更優(yōu)選的是，所述的基體樹脂為環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑。
優(yōu)選的是，所述的溶劑為甲苯或二甲苯中的一種或兩種。
本發(fā)明還提供上述低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備方法，該方法包含以下步驟
按復合材料的組成稱取各組分，
(I)將基體樹脂加入反應裝置中；
(2)將導電聚苯胺溶液、溶劑加入到反應裝置中，攪拌O. 5_5h，得到共混液；
(3)將導電碳材料加入到上述共混液中，攪拌O. 5-3h,得到混合液；
(4)將混合液反復球磨或砂磨，使其細度達到小于ΙΟμπι，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
優(yōu)選的是，步驟(2)中，所述的攪拌速率為1200-1500r/min。
優(yōu)選的是，步驟(3)中，所述的攪拌速率為1200-1500r/min。
本發(fā)明還提供上述低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料在制作精密電位計電阻體中的應用將低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料涂覆在基片上， 50-170° C固化，制成精密電位計電阻體。
本發(fā)明的有益效果
(I)本發(fā)明的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作的精密電位計電阻體具有低電阻溫度系數(shù)，在-55° C-+125° C的溫度范圍內(nèi)電阻溫度系數(shù)小于350 ppm/° C ；
(2)本發(fā)明的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作的精密電位計電阻體具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，高溫(+125° C)貯存48h，或低溫(-55° C)貯存24h后，電阻變化率均小于5% ；
(3)本發(fā)明采用導電聚苯胺與導電碳材料的復合材料作為精密電位計電阻體的導電材料，導電聚苯胺在復合材料中形成的均一網(wǎng)絡結構，使復合材料具有高導電性，導電碳材料使復合材料具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，所以本發(fā)明的精密電位計電阻體克服了合成碳膜電位計和填充型導電塑料電位計的不足，提高電位計的線性度、輸出平滑性、使用壽命和環(huán)境穩(wěn)定性；
(4)本發(fā)明的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料具有耐磨性，用于精密電位計電阻體后，電阻體的使用壽命大于400萬次。
具體實施方式
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，該復合材料的組成及重量百分比為導電聚苯胺溶液5-60wt% ;導電碳材料3-35被％;基體樹脂10-30 wt% ;余量為溶劑。
本發(fā)明的導電聚苯胺溶液，沒有特殊要求，優(yōu)選為十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的甲苯或二甲苯溶液，更優(yōu)選的為十二烷基苯磺酸與聚苯胺的摻雜摩爾比為1:0.8的十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的二甲苯或甲苯溶液。
本發(fā)明的導電聚苯胺為現(xiàn)有技術，十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的甲苯或二甲苯溶液也為現(xiàn)有技術，參見Y. Cao等文章(Counter-1on induced processibility of conducting polyaniline, Synth. Met. , 1993, 57: 3514-3519·)。
優(yōu)選的是，將10. Og本征態(tài)聚苯胺粉末、28.1g十二烷基苯磺酸和150ml 二甲苯 (或甲苯)置于帶機械攪拌的500ml的三口瓶中，100-120° C加熱3_4小時，得到固含量為22. 6wt%的導電聚苯胺溶液，但本發(fā)明不限于此。
本發(fā)明的導電碳材料沒有特殊要求，優(yōu)選為導電炭黑、導電石墨、碳納米管和碳纖維中的一種或多種，考慮本發(fā)明復合材料的制備成本，更優(yōu)選的為導電炭黑和導電石墨的混合。
本發(fā)明的基體樹脂為與聚苯胺相容性好，交聯(lián)密度高，耐磨性好的樹脂就可以，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑、聚氨酯樹脂和丙烯酸樹脂中的一種或兩種，更優(yōu)選的為環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑；所述的環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑、聚氨酯樹脂和丙烯酸樹脂均可通過商購獲得。
本發(fā)明的溶劑優(yōu)選為二甲苯或甲苯中的一種或兩種。
本發(fā)明還提供的上述低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備方法，該方法包含以下步驟
按復合材料的組成稱取各組分，
(I)將基體樹脂加入反應裝置中；
(2)將導電聚苯胺溶液、溶劑在攪拌下緩慢加入到反應裝置中，攪拌O. 5_5h，攪拌速率為1200-1500r/min，得到共混液；
(3)將導電碳材料在攪拌下緩慢加入到上述共混液中，攪拌O. 5_3h，攪拌速率為 1200-1500r/min，得到混合液；
(4)將混合液反復球磨或砂磨，使其細度達到小于ΙΟμπι，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
本發(fā)明還提供上述低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料在制作精密電位計電阻體中的應用將制備好的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料利用絲網(wǎng)印刷，噴涂，或者澆鑄的方法涂覆在基片上，然后在50-170° C固化l_4h，制成精密電位計電阻體。
按照基片形狀的不同，本發(fā)明復合材料涂覆的形狀可以不同。
為使本領域技術人員進一步理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步說明本發(fā)明。
對比例I
導電復合材料的制備
稱取20g環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑，在機械攪拌(1200r/min)下將25g甲苯，20g 二甲苯緩慢的加入到環(huán)氧樹脂中，并繼續(xù)攪拌(1200r/min)0. 5h，得到分散液，稱取IOg導電炭黑，20g導電石墨，5g碳纖維，在高速機械攪拌(1500r/min)下加入到上述分散液中，并攪拌(1200r/min)均勻,球磨48h,使其細度達到ΙΟμπι以下,得到導電復合材料分散液。
將上述導電復合材料分散液用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表面處理的塑料基片上成膜，140° C固化4h，得到電阻體。
對電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為490 ppm/° C，使用壽命為200萬次。
實施例1
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取25g環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑加入反應裝置中，在機械攪拌(1200r/min)下將5g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的甲苯溶液和40g 二甲苯緩慢加入到反應裝置中，攪拌(1300r/min) 0.5h，得到分散液，稱取10g導電炭黑，20g導電石墨，在高速攪拌(1500r/min) 下加入到上述分散液中，攪拌(1200r/min) 2h,球磨48h,使其細度達到ΙΟμπι以下,得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例2
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取20g環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑加入反應裝置中，在機械攪拌(1200r/min)下將 50g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的甲苯溶液和27g甲苯緩慢加入到加入反應裝置中，攪拌 (1200r/min)2h,得到分散液,稱取3g導電炭黑,在高速攪拌(1300r/min)下加入到上述分散液中，攪拌(1300r/min)3h，球磨48h，使其細度達到10 μ m以下，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例3
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取20g聚氨酯樹脂，10g丙烯酸樹脂加入反應裝置中，在機械攪拌(1400r/min) 下將40g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的二甲苯溶液和20g 二甲苯緩慢加入反應裝置中，攪拌(1400r/min)2h,得到分散液,稱取5g導電炭黑,5g碳纖維,在高速攪拌(1500r/min)下加入到上述分散液中，攪拌(1500r/min)0. 5h，球磨48h，使其細度達到10μm以下，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例4
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取IOg丙烯酸樹脂，15g環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑加入反應裝置中，在機械攪拌 (1200r/min)下將25g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的二甲苯溶液和15g 二甲苯緩慢加入到反應裝置中，攪拌(1200r/min)5h,得到分散液,稱取導電炭黑15g,導電石墨15g,碳納米管 5g，在高速攪拌(1200r/min)下加入到上述分散液中，攪拌(1200r/min) 2h,砂磨4h,使其細度達到10μm以下，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例5
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取IOg環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑加入反應裝置中，在機械攪拌(1200r/min )下將36g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的二甲苯溶液和34g 二甲苯緩慢加入到反應裝置中，攪拌(1200r/min)3h,得到分散液,稱取Ig碳納米管，15g導電石墨,4g碳纖維,在高速機械攪拌(1200r/min)下加入到上述分散液中，并攪拌(1200r/min) 2h,球磨48h,使其細度達到 10 μ m以下，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例6
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備
稱取25g環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑加入反應裝置中，在機械攪拌(1200r/min)下將 60g十二烷基苯磺酸摻雜聚苯胺的二甲苯溶液和5g 二甲苯緩慢加入到反應裝置中，攪拌 (1200r/min)2h,得到分散液,稱取IOg導電石墨,在高速機械攪拌(1200r/min)下加入到上述分散液中，并攪拌(1200r/min)2h，球磨48h，使其細度達到10 μ m以下，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
實施例7
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例1制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表明處理的塑料基片上成膜，140° C固化4h，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為220 ppm/° C，使用壽命為420萬次。
實施例8
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例2制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表明處理的塑料基片上成膜，140° C固化4h，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為270 ppm/° C，使用壽命為510萬次。
實施例9
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例3制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表面處理的塑料基片上成膜，50° C固化4h，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為340ppm/° C，使用壽命為410萬次。
實施例10
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例4制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表面處理的塑料基片上成膜，170° C固化lh，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為320 ppm/° C，使用壽命為420萬次。
實施例11
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例5制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表面處理的塑料基片上成膜，170° C固化lh，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計 電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為280 ppm/° C，使用壽命為480萬次。
實施例12
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料制作精密電位計電阻體的應用
將本發(fā)明實施例6制備的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，用絲網(wǎng)印刷的方式在經(jīng)過表面處理的塑料基片上成膜，170° C固化lh，得到精密電位計電阻體。
對精密電位計電阻體進行電阻溫度性能和使用壽命等檢測，測得其電阻溫度系數(shù)為230 ppm/° C，使用壽命為530萬次。
權利要求
1.低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，其特征在于，該復合材料的組成及重量百分比為導電聚苯胺溶液5-60wt% ;導電碳材料3-35被％;基體樹脂10-30 wt% ;余量為溶劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，其特征在于，所述的導電聚苯胺溶液為十二燒基苯磺酸摻雜聚苯胺的甲苯或二甲苯溶液。
3.根據(jù)權利要求1所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，其特征在于，所述的導電碳材料為導電炭黑、導電石墨、碳納米管和碳纖維中的一種或多種。
4.根據(jù)權利要求1所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，其特征在于，所述的基體樹脂為環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑、聚氨酯樹脂和丙烯酸樹脂中的一種或兩種。
5.根據(jù)權利要求1所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料，其特征在于，所述的溶劑為甲苯或二甲苯中的一種或兩種。
6.權利要求1所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備方法，其特征在于，包含以下步驟按復合材料的組成稱取各組分，(1)將基體樹脂加入反應裝置中；(2)將導電聚苯胺溶液、溶劑加入到反應裝置中，攪拌O.5-5h，得到共混液；(3)將導電碳材料加入到上述共混液中，攪拌O.5-3h，得到混合液；(4)將混合液反復球磨或砂磨，使其細度達到小于10μ m，得到低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述的攪拌速率為1200-1500r/min。
8.根據(jù)權利要求6所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述的攪拌速率為1200-1500r/min。
9.權利要求1-5任何一項所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料在制作精密電位計電阻體中的應用。
10.根據(jù)權利要求9所述的低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料在制作精密電位計電阻體中的應用，其特征在于，將低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料涂覆在基片上，在50-170° C固化，制成精密電位計電阻體。
全文摘要
低電阻溫度系數(shù)的聚苯胺/碳導電復合材料及其制備方法與應用，解決了現(xiàn)有技術中精密電位計的電阻體高溫下電阻變化率大的缺點。該復合材料的組成及重量百分比為導電聚苯胺溶液5-60wt%；導電碳材料3-35wt%；基體樹脂10-30 wt%；余量為溶劑。本發(fā)明還提供該復合材料的制備方法及其在制作精密電位計電阻體中的應用。本發(fā)明的復合材料制作的精密電位計電阻體，-55°C-+125°C的溫度范圍內(nèi)電阻溫度系數(shù)小于350 ppm/°C，125°C貯存48h，或者-55°C貯存24h后，電阻變化率均小于5%，使用壽命大于400萬次。
文檔編號C09D5/24GK103031037SQ20121055573
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者劉年江, 鞠洪巖, 李季, 王獻紅, 王佛松 申請人:中國科學院長春應用化學研究所