專利名稱：聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料及制備工藝及 相關(guān)性能研究，在已取得聚酰胺/石墨納米導(dǎo)電復(fù)合材料制備方法專利權(quán)的基礎(chǔ)上，通過(guò) 添加碳纖維經(jīng)簡(jiǎn)單熔融共混插層的方法制備出了導(dǎo)電性能好且機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)異的聚醚/ 納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
聚苯硫醚(PPS)是一種新型的熱塑性半結(jié)晶型的工程塑料，具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐 蝕性、耐高溫性、良好的物理機(jī)械性能等特點(diǎn)，廣泛用于紡織、汽車、電子電器、化工設(shè)備等 許多領(lǐng)域。聚醚醚酮(PEEK)樹(shù)脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相 比具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，耐高溫、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤(rùn)滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、 耐輻照性、絕緣性穩(wěn)定等，在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫(yī)療和食品加工等領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用。聚苯醚(PP0)具有優(yōu)良的綜合性能，機(jī)械性能優(yōu)于PC、PA和P0M，電性能、耐水蒸 汽性、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，耐熱，難燃，使用溫度范圍廣，吸水性小。近年來(lái)聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料由于具有密度小、導(dǎo)電性能優(yōu)良以及耐化學(xué)腐蝕性 好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的推廣和應(yīng)用。但是，據(jù)目前報(bào)道以聚合物作為基體的導(dǎo)電復(fù)合材料， 多以碳黑、金屬粉、金屬氧化物等作為導(dǎo)電填料，采用插層聚合或溶液插層的制備工藝，這 種聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料往往需要較多的導(dǎo)電填料才能達(dá)到理想的導(dǎo)電效果，導(dǎo)電填料含 量一般在15 25%范圍內(nèi)。填料含量的增加以及與基體弱的界面粘合作用使得此類聚合 物基導(dǎo)電復(fù)合材料加工性能和力學(xué)性能變差，從而限制了其應(yīng)用。在我們以前的研究成果中報(bào)道了采用熔融插層的方法制備了聚酯/石墨納米導(dǎo) 電復(fù)合材料，此法制備的聚酯基納米膨脹石墨復(fù)合材料在導(dǎo)電填料含量較少的情況下就可 以獲得較高的體積電導(dǎo)率，其滲濾閾值在4 5 %。與其它聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料相比無(wú)機(jī) 導(dǎo)電填料的含量有了大幅度的降低，從而降低了生產(chǎn)成本。但是，此法制備的聚酯/石墨納 米導(dǎo)電復(fù)合材料隨著石墨的加入使得其力學(xué)性能較純聚酯基體有所下降，這樣也限制了其 工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于發(fā)明一種既具有較好抗靜電性能、一定范圍的屏蔽性能、導(dǎo)電性 能優(yōu)良且加工性能好、力學(xué)性能優(yōu)異，可滿足工業(yè)化應(yīng)用的聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維 高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料， 由聚芳醚、膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨和增強(qiáng)體碳纖維組成，各組分的質(zhì)量份為聚 芳醚100份、膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨1 8份和增強(qiáng)體碳纖維1 30份；所述 聚芳醚為聚苯醚或聚苯硫醚或聚醚醚酮。
所述增強(qiáng)體為各種牌號(hào)及不同長(zhǎng)徑比碳纖維。所述膨脹石墨是膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨或納米石墨片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明具有較低的滲濾閾值和較高的電導(dǎo)率以及優(yōu)異的機(jī)械力學(xué) 性能。碳纖維作為增強(qiáng)材料，本身就具有良好的導(dǎo)電性能，因此隨著碳纖維的加入，在復(fù)合 材料內(nèi)部與膨脹石墨實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，賦予主基體優(yōu)異的導(dǎo)電性能。同時(shí)，碳纖維還具 有增強(qiáng)作用，聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng) 度等相對(duì)于純聚芳醚基體都有大幅度的提高，與其它聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料相比也高出許 多。因此，聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料具有廣闊的工業(yè)化前景，有望 在防靜電材料、電磁屏蔽材料、微波吸收等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟1)納米石墨片的制備將天然鱗片石墨加入到濃硫酸和濃硝酸的混合液中浸泡 24士3小時(shí)，然后將天然鱗片石墨經(jīng)洗滌、干燥處理后，在溫度為900 1100°C的馬弗爐中 加熱膨脹處理，得到膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨，再將膨脹石墨分散在70%的乙醇 水溶液中放置24士 1小時(shí)后，超聲4士0.2小時(shí)得到納米石墨片(納米膨脹石墨)；2)將納米膨脹石墨(或納米石墨片)1 8份與主基體聚芳醚100份混合均勻后 與增強(qiáng)體碳纖維1 30份一起加入到既能提供剪切力又能同時(shí)將聚合物加熱到熔點(diǎn)以上 的設(shè)備中熔融共混，即得到導(dǎo)電復(fù)合材料；所述聚芳醚為聚苯醚或聚苯硫醚或者聚醚醚酮。步驟1)中天然鱗片石墨的細(xì)度為30 200目。步驟2)所述增強(qiáng)體碳纖維為各種牌號(hào)及不同長(zhǎng)徑比碳纖維。聚芳醚和納米膨脹石墨的最佳質(zhì)量份比為100 8。本發(fā)明利用碳纖維優(yōu)異的導(dǎo)電性能以及可以作為聚合物增強(qiáng)填料的優(yōu)點(diǎn)，在已取 得研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入碳纖維，采用熔融共混的方法制備出了聚芳醚/納米膨脹 石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料。具體方法是將一定配比的膨脹石墨和主基體聚芳醚置于 高速混合機(jī)充分?jǐn)嚢瑁怪旌暇鶆?；然后將其和碳纖維置于密煉機(jī)(如哈克轉(zhuǎn)矩流變儀、 雙螺桿擠出機(jī)等)中，升溫至基體熔點(diǎn)以上進(jìn)行混煉，從而得到導(dǎo)電復(fù)合材料。該制備方法 簡(jiǎn)單易行，成本較低。
具體實(shí)施例方式1、制備膨脹石墨將天然鱗片石墨(粒度100 iim 500 iim或30 200目)加入到質(zhì)量比為4 1 的濃硫酸和濃硝酸的混合液中浸泡24士3小時(shí)，然后經(jīng)洗滌、干燥處理后，在溫度為900 1100°C的馬弗爐中加熱膨脹處理，得到膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨，待用。2、制備納米膨脹石墨(納米石墨片)將膨脹石墨分散在70%的乙醇水溶液中放置24士 1小時(shí)，然后超聲4小時(shí)得到納 米石墨片(納米膨脹石墨)，待用。3、復(fù)合材料的預(yù)共混將一定配比的納米膨脹石墨和主基體置于高速混合機(jī)中，充分?jǐn)嚢鑜Omin，使填料 膨脹石墨在基體中分散均勻。下面主基體聚芳醚以PPS為例，具體舉例說(shuō)明
納米膨脹石墨占總體系質(zhì)量份數(shù)的8份和100份主基體PPS在高速混合機(jī)上充分 攪拌混合均勻后，將其和2 30份增強(qiáng)體碳纖維料分別轉(zhuǎn)移至密煉機(jī)(哈克轉(zhuǎn)矩流變儀或 雙螺桿擠出機(jī))中于200 380°C條件下混煉2 20min，出料，即得高強(qiáng)度導(dǎo)電復(fù)合材料。 復(fù)合材料的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)及各力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表一。表一 納米膨脹石墨占總體系質(zhì)量份數(shù)的1份或2份或3份或4份或5份或6份或7 份)和100份主基體PPS在高速混合機(jī)上充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝?，將其? 30份增強(qiáng)體碳 纖維料分別轉(zhuǎn)移至密煉機(jī)(哈克轉(zhuǎn)矩流變儀或雙螺桿擠出機(jī))中于200 380°C條件下混 煉2 20min，出料，即得高強(qiáng)度導(dǎo)電復(fù)合材料。復(fù)合材料的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)及各力學(xué)性能數(shù)據(jù) 與表一相似。主基體聚芳醚以聚苯硫醚(PPS)與納米膨脹石墨的最佳質(zhì)量份比為100 8。主基體聚芳醚采用聚苯醚或者聚醚醚酮制得的復(fù)合材料的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)及各力學(xué) 性能數(shù)據(jù)也與表一相似。
權(quán)利要求
聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料由聚芳醚、膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨和增強(qiáng)體碳纖維組成，各組分的質(zhì)量份為聚芳醚100份、膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨1～8份和增強(qiáng)體碳纖維1～30份；所述聚芳醚為聚苯醚或聚苯硫醚或聚醚醚酮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在 于所述增強(qiáng)體為各種牌號(hào)及不同長(zhǎng)徑比碳纖維。
3.—種如權(quán)利要求1所述聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于包括以下步驟1)納米石墨片的制備將天然鱗片石墨加入到濃硫酸和濃硝酸的混合液中浸泡24士3 小時(shí)，然后將天然鱗片石墨經(jīng)洗滌、干燥處理后，在溫度為900 1100°C的馬弗爐中加熱膨 脹處理，得到膨脹倍數(shù)在100倍以上的膨脹石墨，再將膨脹石墨分散在70%的乙醇水溶液 中放置24士 1小時(shí)后，超聲4士0. 2小時(shí)得到納米石墨片；2)將納米膨脹石墨1 8份與主基體聚芳醚100份混合均勻后與增強(qiáng)體碳纖維1 30份一起加入到既能提供剪切力又能同時(shí)將聚合物加熱到熔點(diǎn)以上的設(shè)備中熔融共混，即 得到導(dǎo)電復(fù)合材料；所述聚芳醚為聚苯醚、聚苯硫醚或者聚醚醚酮。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟1)中天然鱗片石墨的細(xì)度為30 200目。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟2)所述增強(qiáng)體碳纖維為各種牌號(hào)及不同長(zhǎng)徑比碳纖維。
全文摘要
聚芳醚/納米膨脹石墨/碳纖維高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料由主基體聚芳醚、增強(qiáng)體碳纖維和膨脹倍數(shù)100倍以上的膨脹石墨組成，各組分的質(zhì)量份為主基體聚芳醚100份、增強(qiáng)體碳纖維1～30份、膨脹石墨1～8份。在聚芳醚/納米膨脹石墨復(fù)合體系中通過(guò)添加增強(qiáng)體碳纖維制備了高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的復(fù)合材料。在碳纖維和膨脹石墨含量較少的情況下，體系的體積電導(dǎo)率可達(dá)10-1S/m，體系的力學(xué)性能優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到101.6MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到232.3MPa，沖擊強(qiáng)度為25.64kJ/m2。本發(fā)明具有優(yōu)異的綜合性能，可在防靜電材料、電磁屏蔽材料、微波吸收等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01B1/24GK101875774SQ20091026435
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者張明, 曹振東, 李滿 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)