聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明提供一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，所述復(fù)合材料具有核殼結(jié)構(gòu)，殼為金屬粒子，核為聚合物α和聚合物β按照一定質(zhì)量比制成的復(fù)合纖維，聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100:20～100:5；其中，所述聚合物α為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚己內(nèi)酯、聚苯硫醚砜、聚醚砜或聚丙烯腈，所述聚合物β為聚乙烯醇、聚多巴胺或聚酰胺66。本發(fā)明所得復(fù)合材料的電性能得到顯著改善，復(fù)合材料的電阻率從109Ω/cm降低到104?105Ω/cm。
【專利說明】
聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高分子材料具有密度小、強(qiáng)度大、易于成型加工等優(yōu)點(diǎn)，在很多運(yùn)用領(lǐng)域如航空航天、電子電器等能夠與傳統(tǒng)金屬材料相媲美，發(fā)揮重要作用。與大部分傳統(tǒng)金屬材料相比，高分子材料的顯著弱點(diǎn)是導(dǎo)電性能差，限制了其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在電子電器、電磁屏蔽、導(dǎo)電傳感等領(lǐng)域。
[0003]通常提高高分子復(fù)合材料導(dǎo)電性的方法可分為兩種:一是基體填充法，即在基體中摻雜導(dǎo)電性能優(yōu)異的第二組分，使其在基體材料內(nèi)部形成微觀的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);二是表面涂敷法，即在材料表面涂覆導(dǎo)電性能優(yōu)異的第二組分，從而在材料表面形成宏觀的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。其中以摻雜的方式提高導(dǎo)電性能的方法，因?yàn)橐谡麄€基體內(nèi)形成微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，所以其摻雜量要達(dá)到一定臨界值才能有效地提高材料整體的導(dǎo)電性能，而且這個臨界值通常還比較大，而導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)電載流子價格都比較高，同時大量的摻雜第二組分對基體材料的性能勢必有較大的影響，因此不管是從經(jīng)濟(jì)方面還是從對材料性能影響方面考慮，摻雜法都不是最佳的改性方法。涂覆法，因?yàn)橥ㄓ眯员容^強(qiáng)，操作簡單，而且用量比較少，對基體材料性能的影響較小，是一種提高材料導(dǎo)電性能很有前景的方法。但涂覆法得到的導(dǎo)電層通常是裸露在外的，容易受周圍環(huán)境的影響發(fā)生變化或者脫落。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述缺陷，提供一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，所得復(fù)合材料的電性能得到顯著改善，復(fù)合材料的電阻率從19 Ω /Cm降低到14-1O5 Ω /cm。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，所述復(fù)合材料具有核殼結(jié)構(gòu)，殼為金屬粒子，核為聚合物α和聚合物財安照一定質(zhì)量比制成的復(fù)合纖維，聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100:20?100:5;其中，所述聚合物α為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚己內(nèi)酯、聚苯硫醚砜、聚醚砜或聚丙烯腈，所述聚合物β為聚乙烯醇、聚多巴胺或聚酰胺66(ΡΑ66)。本發(fā)明中，金屬粒子在復(fù)合纖維表面的沉積量根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求而定，只要金屬粒子均勻連續(xù)地分散在復(fù)合纖維表面即可。
[0007]所述金屬粒子為:金粒子、銀粒子或銅粒子。所述金屬粒子均勻連續(xù)地分散在復(fù)合纖維表面。
[0008]進(jìn)一步，所述復(fù)合纖維為納微米級的。
[0009]優(yōu)選的，所述聚合物α為聚醚砜，所述聚合物β為聚多巴胺。
[0010]本發(fā)明中，選擇聚合物α與聚合物β兩種聚合物得到復(fù)合纖維，其中聚合物β的作用是促進(jìn)金屬粒子在纖維表面的沉積，若只有聚合物α，則金屬粒子不能均勻而連續(xù)地沉積在纖維表面。
[0011 ]另外，限定聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100: 20?100: 5的原因是在這個范圍內(nèi)得到的復(fù)合纖維的尺寸在納微米級，且在這個質(zhì)量比范圍內(nèi)得到的最終材料的電性能最優(yōu)。
[0012]本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0013]I)基體纖維表面金屬化:將納微米基體纖維置于金屬離子水溶液中，升溫到40?100°C，向溶液中加入還原劑，反應(yīng)10?15小時后，然后干燥即得表面金屬化的納微米纖維；其中，納微米基體纖維與金屬離子水溶液的比例為每L金屬離子水溶液中添加4?8g基體纖維;金屬離子水溶液中金屬離子的濃度為I?10wt%，金屬離子水溶液的pH值控制在6?11;其中，納微米基體纖維由聚合物α和聚合物β按照一定質(zhì)量比制成的復(fù)合纖維，聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100: 20?100: 5;其中，所述聚合物α為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚己內(nèi)酯、聚苯硫醚砜、聚醚砜或聚丙烯腈，所述聚合物β為聚乙烯醇、聚多巴胺或聚酰胺66(ΡΑ66);
[0014]2)固定金屬粒子:將步驟I)制得的金屬化的納微米纖維置于Tris-多巴胺緩沖溶液中3?5h，使得金屬粒子牢牢固定于納微米基體纖維的表面，即得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料;其中，金屬化的納微米纖維與Tr i S-多巴胺緩沖溶液的比例為:每L緩沖溶液中放置20?50g金屬化的納微米纖維;Tri S-多巴胺緩沖溶液中多巴胺的濃度為I?5g/L，控制Tri S-多巴胺緩沖溶液的pH值在7?11。
[0015]步驟I)中，所述還原劑為檸檬酸鈉、甲醛、冰醋酸、乙二醇、葡萄糖、雙氧水或水合肼。
[0016]本發(fā)明中，步驟I)中限定金屬離子水溶液中金屬離子的濃度為I?1wt%的作用保證溶液中金屬離子的含量充分，且其易于在纖維表面還原沉淀，若金屬離子濃度過低則纖維表面的金屬粒子含量過低不足以得到導(dǎo)電性能優(yōu)異的復(fù)合材料;若金屬離子濃度過高則其容易在水溶液中形成沉淀影響金屬粒子在纖維表面的還原沉積。金屬離子水溶液PH值控制在6-11的作用是:使纖維表面帶上與金屬離子相反的電荷，溶液pH值過小則纖維表面的電荷與金屬離子相同，而PH值過大則金屬離子易于形成沉淀。
[0017]進(jìn)一步，步驟2)中，Tris-多巴胺緩沖溶液中多巴胺的濃度為2g/L。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
[0019]本發(fā)明在納微米聚合物纖維表面生成導(dǎo)電金屬粒子，并將通過聚多巴胺的優(yōu)異的粘附作用將導(dǎo)電金屬粒子牢固地固定在纖維表面，從而達(dá)到改善纖維表面電性能的目的。
[0020]本發(fā)明通過調(diào)整金屬離子溶液的濃度、pH值和反應(yīng)溫度能夠得到表面密集連續(xù)沉積金屬粒子的纖維;然后將聚多巴胺粘附在金屬化的纖維表面后使得金屬粒子得以固定。所得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的表面電性能改善顯著，纖維表面電阻率從19 Ω/cm降低到 14-1O5 Ω/cm O
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明首先通過調(diào)整金屬離子水溶液的pH值、金屬粒子濃度和反應(yīng)溫度在還原劑的作用下在聚合物纖維表面生成導(dǎo)電性能良好且密集連續(xù)的金屬粒子層;然后在上述纖維的表面包覆上具有優(yōu)異粘附性的聚多巴胺層，從而達(dá)到改善纖維表面電性能和固定金屬粒子。從而提供了一種簡單、有效的制備聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的方法。
[0022]以下實(shí)施例僅為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，并不因此將本發(fā)明作限制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0023]本發(fā)明中，Tri S-多巴胺緩沖溶液的制備方法為:在IL的容量瓶中加入0.0 Imo I三羥甲基氨基甲烷和I?5.0g多巴胺并加入去離子水定容到刻度線配置成多巴胺緩沖液。
[0024]實(shí)施例1
[0025]聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法為:
[0026]制備金屬離子水溶液:將一定量的硝酸銀溶于超純水中，配置金屬離子水溶液，其中銀離子濃度為2wt %，用氫氧化鈉調(diào)整該溶液pH值在7?1;
[0027]基體纖維表面金屬化:將納微米基體纖維置于上述銀離子水溶液中，纖維的添加量為4g/L(即每L銀離子水溶液中加入4g纖維)，然后升高水溶液的溫度到50?75°C并往溶液中加入還原劑檸檬酸鈉，1h后取出纖維，并進(jìn)行干燥得金屬化的纖維;其中，納微米基體纖維為聚醚砜與聚多巴胺的復(fù)合纖維，聚醚砜與聚多巴胺的質(zhì)量比為100:10;
[0028]固定金屬粒子:首先配置0.0lmol/LTris-多巴胺緩沖溶液，緩沖溶液中多巴胺濃度為2g/L，控制緩沖溶液的pH值在7?11;然后將上述制得的金屬化纖維置于緩沖溶液中3?5h，使得金屬粒子牢牢固定于納微米基體纖維的表面;其中，金屬化纖維與緩沖溶液的比例為:每L緩沖溶液中放置20g金屬化的納微米級纖維。最終所得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻率可從19 Ω /cm降低到14 Ω /cm。
[0029]實(shí)施例2
[0030]聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法為:
[0031 ]制備銀離子濃度在5%的水溶液，用氫氧化鈉調(diào)整該溶液pH值在7?10;
[0032]基體纖維表面金屬化:將納微米基體纖維置于上述銀離子水溶液中，纖維的添加量為6g/L( S卩每L銀離子水溶液中加入6g纖維)，然后升高水溶液的溫度到40-60°C并往溶液中加入還原劑葡萄糖，12h后取出纖維，并進(jìn)行干燥得金屬化的纖維;其中，納微米基體纖維為聚醚砜+PA66纖維，聚醚砜與PA66的質(zhì)量比為100:8 ；
[0033]固定金屬粒子:首先配置0.0lmol/L的Tris-多巴胺緩沖溶液，緩沖溶液中多巴胺濃度為2g/L，控制緩沖溶液的pH值在7?11;然后將上述制得的金屬化纖維置于緩沖溶液中3?5h使得金屬粒子牢牢固定于納微米基體纖維的表面;其中，金屬化纖維與緩沖溶液的比例為:每L緩沖溶液中放置35g金屬化的納微米級纖維。最終所得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻率從19 Ω /cm降低到14 Ω /cm。
[0034]實(shí)施例3
[0035]聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法為:
[0036]制備銀離子濃度在8%的水溶液，用氫氧化鈉或者氯化氫調(diào)整該溶液pH值在7?10；
[0037]基體纖維表面金屬化:將納微米基體纖維置于上述銀離子濃度在I?5%的水溶液中，纖維的添加量為8g/L(即每L銀離子水溶液中加入Sg纖維)，然后升高水溶液的溫度到70-85°C并往溶液中加入還原劑甲醛，1h后取出纖維，并進(jìn)行干燥得金屬化的纖維；其中，納微米基體纖維為聚醚砜+聚乙烯醇制成的纖維，聚醚砜與聚乙烯醇的質(zhì)量比為10: 20;
[0038]固定金屬粒子:首先配置0.0 lmol/L Tr is-多巴胺緩沖溶液，緩沖溶液中多巴胺濃度為2g/L，控制緩沖溶液的pH值在7?11;然后將上述制得的金屬化纖維置于緩沖溶液中3?5h使得金屬粒子牢牢固定于納微米基體纖維的表面;其中，金屬化纖維與緩沖溶液的比例為:每L緩沖溶液中放置50g金屬化的納微米級纖維。最終所得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻率從19 Ω /cm降低到15 Ω /cm。
【主權(quán)項】
1.聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料具有核殼結(jié)構(gòu)，殼為金屬粒子，核為聚合物α和聚合物β按照一定質(zhì)量比制成的復(fù)合纖維，聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100: 20?100:5;其中，所述聚合物α為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚己內(nèi)酯、聚苯硫醚砜、聚醚砜或聚丙烯腈，所述聚合物β為聚乙烯醇、聚多巴胺或聚酰胺66。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于，所述金屬粒子為:金粒子、銀粒子或銅粒子。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合纖維為納微米級的。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物α為聚醚砜，所述聚合物β為聚多巴胺;或: 所述聚合物α為聚醚砜，所述聚合物β為聚酰胺66;或: 所述聚合物α為聚醚砜，所述聚合物β為聚乙烯醇。5.權(quán)利要求1?4任一項所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 1)基體纖維表面金屬化:將納微米基體纖維置于金屬離子水溶液中，升溫到40?100°C，向溶液中加入還原劑，反應(yīng)10?15小時，然后干燥即得表面金屬化的納微米纖維;其中，納微米基體纖維與金屬離子水溶液的比例為每L金屬離子水溶液中添加4?8g基體纖維;金屬離子水溶液中金屬離子的濃度為I?1wt %，金屬離子水溶液的pH值控制在6?11;其中，納微米基體纖維由聚合物α和聚合物β按照一定質(zhì)量比制成的復(fù)合纖維，聚合物α與聚合物β的質(zhì)量比為100:20?100:5;所述聚合物α為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚己內(nèi)酯、聚苯硫醚砜、聚醚砜或聚丙烯腈，所述聚合物β為聚乙烯醇、聚多巴胺或聚酰胺66; 2)固定金屬粒子:將步驟I)制得的金屬化的納微米纖維置于Tris-多巴胺緩沖溶液中3?5h，使得金屬粒子牢牢固定于納微米基體纖維的表面，即得聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料；其中，金屬化的納微米纖維與TriS-多巴胺緩沖溶液的比例為:每L緩沖溶液中放置20?50g金屬化的納微米纖維;Tris-多巴胺緩沖溶液中多巴胺的濃度為I?5g/L，控制Tris-多巴胺緩沖溶液的pH值在7?11。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟I)中，所述還原劑為檸檬酸鈉、甲醛、冰醋酸、乙二醇、葡萄糖、雙氧水或水合肼。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述聚合物纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟2)中，Tris-多巴胺緩沖溶液中多巴胺的濃度為2g/L。
【文檔編號】D06M101/34GK105862398SQ201610466050
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】楊杰, 邱芳, 王孝軍, 衛(wèi)志美, 張剛, 龍盛如
【申請人】四川大學(xué)