專利名稱：一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
導(dǎo)電復(fù)合材料目前主要是指復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，是將聚合物與各種導(dǎo)電物質(zhì)通過一定的復(fù)合方式構(gòu)成.長期以來，高分子材料通常是作為絕緣材料在電氣工業(yè)、安裝工程、通訊工程等方面廣泛使用。導(dǎo)電高分子材料按結(jié)構(gòu)和制備方法不同可分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩大類。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子又稱本征型導(dǎo)電高分子，是指具有共軛結(jié)構(gòu)經(jīng)少量摻雜具有導(dǎo)電性的材料；復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是以高分子材料為基體，經(jīng)物理或化學(xué)改性后具有導(dǎo)電性的材料，根據(jù) 在基體聚合物中所加入導(dǎo)電物質(zhì)的種類不同又分為兩類填充復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料和共混復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。填充復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料通常是在基體聚合物中加入導(dǎo)電填料復(fù)合而成。導(dǎo)電填料主要有抗靜電材料、炭系材料(炭黑、石墨、碳纖維等)、金屬氧化物系材料(氧化錫、氧化鉛、氧化鋅、二氧化鈦等)、金屬系材料(銀、金、鎳、銅等)、各種導(dǎo)電金屬鹽以及復(fù)合填料(銀-銅、銀-玻璃、銀-碳、鎳-云母等)等。共混復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是在基體聚合物中加入結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物粉末或顆粒復(fù)合而成。填充復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機理非常復(fù)雜，通?？蓮膶?dǎo)電通路如何形成和形成導(dǎo)電通路后如何導(dǎo)電兩個方面來研究。導(dǎo)電通路的形成研究的是加入基體聚合物中的導(dǎo)電填料在給定的加工工藝條件下，如何達到電接觸而在整體上自發(fā)形成導(dǎo)電通路這一宏觀自組織過程。實驗研究表明，當復(fù)合體系中導(dǎo)電填料的含量增加到某一臨界含量(滲流閥值)之后，體系電阻率突然下降，變化幅度在10個數(shù)量級左右，然后體系電阻率變化又回復(fù)平緩。為了解釋這種導(dǎo)電性能突變現(xiàn)象，人們提出了許多理論，最有代表性的是日本東京工業(yè)大學(xué)Miyasaka K等提出的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料熱力學(xué)理論。此理論認為，基體聚合物與導(dǎo)電填料的界面效應(yīng)直接影響體系的導(dǎo)電性能，它不僅很好的解釋了體系的導(dǎo)電滲流閾值與所用的聚合物和導(dǎo)電填料的種類有關(guān)，而且與實驗吻合。影響復(fù)合材料導(dǎo)電通路形成的因素很多，例如導(dǎo)電填料粒子的尺寸、形狀及在樹脂中的分布狀況，基體樹脂的種類、結(jié)晶性，導(dǎo)電填料粒子與基體樹脂的界面效應(yīng)，以及復(fù)合材料加工工藝、固化條件等對導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)都有很大影響。在實際應(yīng)用過程中，人們往往只需要導(dǎo)電復(fù)合材料在某個特定方向?qū)щ娦粤己?，而在其余方向最好具有良好的絕緣性，是為各向異性導(dǎo)電材料。各向異性導(dǎo)電材料的導(dǎo)電填料往往通過定向排列的導(dǎo)電纖維來實現(xiàn)。在制備過程中，需要將導(dǎo)電纖維預(yù)先排布，再澆鑄聚合物。這種方法工藝復(fù)雜，并且只能通過導(dǎo)電纖維實現(xiàn)。本發(fā)明采用磁場對鐵磁性導(dǎo)電復(fù)合填料的磁驅(qū)動，實現(xiàn)導(dǎo)電填料在基體中的鏈狀排列，從而實現(xiàn)各向異性導(dǎo)電特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法。
本發(fā)明方法的具體步驟為步驟I)顆粒復(fù)合體系制備該方法要求導(dǎo)電填料對磁場存在磁響應(yīng)，因此填料必須具有鐵磁性。有些導(dǎo)電填料本身就是鐵磁性物質(zhì)，而大部分導(dǎo)電填料不具備鐵磁性，則可以通過物理或化學(xué)方法在導(dǎo)電填料上復(fù)合磁性物質(zhì)，從而賦予導(dǎo)電填料鐵磁特性。本發(fā)明的重點不在于導(dǎo)電鐵磁性填料的制備，相關(guān)制備技術(shù)很多物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)合成等。本發(fā)明是在鐵磁性導(dǎo)電填料的基礎(chǔ)上，通過磁場取向，進而獲得各向異性復(fù)合導(dǎo)電材料。在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 200份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導(dǎo)電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單
體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑或交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌30s。所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。所述的鐵磁性導(dǎo)電填料由導(dǎo)電功能團和鐵磁性功能團組成，其中導(dǎo)電功能團包括所有導(dǎo)電材料，主要為炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等，鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，主要為 Fe、Co、Ni、Fe2O3' Fe3O4 等。所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。所述的交聯(lián)劑為苯乙烯。步驟2)磁場中磁性顆粒取向?qū)浬?fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場強度為O. 01 2. 0T,取向時間為I 60min。所述的磁場是由電磁鐵、電磁線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場。步驟3)固化將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。本發(fā)明是將鐵磁性導(dǎo)電填料與有機單體組成的復(fù)合體系，在磁場中利用磁場對粒子的取向作用，使鐵磁性導(dǎo)電填料在有機物中形成鏈狀分布，經(jīng)固化后獲得各向異性導(dǎo)電特性。本發(fā)明的優(yōu)點是I)利用磁場改變聚合物基體中的導(dǎo)電填料分布，平行磁場方向形成鏈狀團簇。2)由于導(dǎo)電填料在聚合物基體中的各向異性分布，基體的導(dǎo)電性也具有各向異性。在平行鏈狀團簇的方向，材料導(dǎo)電性要遠遠大于垂直于鏈狀團簇的方向。3)通過外磁場，實現(xiàn)對導(dǎo)電材料顯微組織無接觸式調(diào)控，獲得各向異性導(dǎo)電性，克服了傳統(tǒng)方法中需預(yù)先排布導(dǎo)電纖維的缺點。


圖I是各向異性導(dǎo)電材料顯微組織示意。圖中，鐵磁性功能團I與導(dǎo)電功能團2分布在聚合物基體3中形成鏈狀團簇，并沿外磁場方向平行排列，從而呈現(xiàn)導(dǎo)電各向異性。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細描述，以便更好地理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點。雖然本發(fā)明是結(jié)合該具體的實施例進行描述，但并不意味著本發(fā)明局限于所描述的具體實施例。相反，對可以包括在本發(fā)明權(quán)利要求中所限定的保護范圍內(nèi)的實施方式進行的替代、改進和等同的實施方式，都屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明涉及一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，該方法包括以下步驟步驟I)顆粒復(fù)合體系制備在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 200份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導(dǎo)電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑 或交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌30s。步驟2)磁場中磁性顆粒取向?qū)浬?fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場強度為O. 01 2. 0T,取向時間為I 60min。步驟3)固化將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。所述的鐵磁性導(dǎo)電填料由導(dǎo)電功能團和鐵磁性功能團組成其中導(dǎo)電功能團包括所有導(dǎo)電材料，主要為炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等；鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，主要為Fe、CO、Ni、Fe203、Fe304等。所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。所述的交聯(lián)劑為苯乙烯。所述的磁場是由電磁鐵、電磁線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場。本發(fā)明將鐵磁性導(dǎo)電填料與有機單體組成的復(fù)合體系，在磁場中利用磁場對粒子的取向作用，使鐵磁性導(dǎo)電填料在有機物中形成鏈狀分布，經(jīng)固化后獲得各向異性導(dǎo)電特性。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例I :在100份的不飽和聚酯單體中加入10份平均顆粒尺寸為O. I μ m的炭黑/Fe2O3鐵磁性導(dǎo)電填料，在20°C水浴鍋中攪拌分散5h ;在體系分散均勻后，再加入5份交聯(lián)劑苯乙烯，繼續(xù)攪拌30s。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁線圈產(chǎn)生，磁場強度為O. 1T，取向時間為5min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20°C，保溫480h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例I所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的炭黑/Fe2O3鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例2 在100份的環(huán)氧樹脂單體中加入5份平均直徑為O. I μ m的碳纖維/Fe鐵磁性導(dǎo)電填料，在60°C水浴鍋中攪拌分散O. 5h ;在體系分散均勻后，再加入15份固化劑聚酰胺，繼續(xù)攪拌30s。
將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場強度為O. 8T，取向時間為IOmin0將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度80°C，保溫20h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例2所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的碳纖維/Fe鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例3 在100份的酚醛樹脂單體中加入30份平均顆粒尺寸為8. 9 μ m的石墨/Fe3O4鐵磁 性導(dǎo)電填料，在80°C水浴鍋中攪拌分散IOh ;在體系分散均勻后，再加入I份固化劑六次甲基四胺，繼續(xù)攪拌30s。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁線圈產(chǎn)生，磁場強度為O. 01T，取向時間為60min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度200°C，保溫lh。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例3所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的石墨/Fe3O4鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例4 在100份的聚乙烯單體中加入20份平均顆粒尺寸為5. 2 μ m的Cu/Fe鐵磁性導(dǎo)電填料，在180°C條件下攪拌分散O. 5h。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由永磁體產(chǎn)生，磁場強度為O. 2T，取向時間為20min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20°C，保溫400h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例4所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的Cu/Fe鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例5 在100份的聚丙烯單體中加入20份平均顆粒尺寸為100 μ m的Al/Ni鐵磁性導(dǎo)電填料，在20(TC條件下攪拌分散2h。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場強度為2. 0T，取向時間為lmin。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20°C，保溫100h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例5所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的Al/Ni鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例6
在100份的聚苯乙烯單體中加入200份平均顆粒尺寸為9 μ m的Ag/Co鐵磁性導(dǎo)電填料，在250°C條件下攪拌分散2h。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場強度為I. 2T，取向時間為3min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20°C，保溫48h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例6所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的Ag/Co鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂 直鏈狀方向。實施例7 在100份的環(huán)氧樹脂單體中加入20份平均顆粒尺寸為12 μ m的炭黑/Fe3O4鐵磁性導(dǎo)電填料，在80°C水浴鍋中攪拌分散O. 5h ;在體系分散均勻后，再加入9份固化劑間苯二甲二胺，繼續(xù)攪拌30s。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場強度為O. 4T，取向時間為15min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度90°C，保溫15h。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例7所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的炭黑/Fe3O4鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。實施例8:在100份的酚醛樹脂單體中加入30份平均顆粒尺寸為I. 2 μ m的Fe鐵磁性導(dǎo)電填料，在80°C水浴鍋中攪拌分散IOh ;在體系分散均勻后，再加入I份固化劑六次甲基四胺，繼續(xù)攪拌30s。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場強度為O. 4T，取向時間為20min。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度200°C，保溫lh。所制備的樣品組織致密，孔隙率低，樣品表面比較平整。對實例8所制備的樣品進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物基體中的Fe鐵磁性導(dǎo)電填料沿外磁場方向呈鏈狀團簇分布。對材料進行電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性呈各向異性，平行鏈狀方向電導(dǎo)率遠遠大于垂直鏈狀方向。
權(quán)利要求
1.一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟I)顆粒復(fù)合體系制備 在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 200份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導(dǎo)電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑或交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌30s。
步驟2)磁場中磁性顆粒取向 將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，磁場強度為O. 01 2. 0T,取向時間為I 60min。
步驟3)固化 將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。
2.如權(quán)利要求I所述的一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯。
3.如權(quán)利要求I所述的一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于所述的鐵磁性導(dǎo)電填料由導(dǎo)電功能團和鐵磁性功能團組成。
4.如權(quán)利要求3所述的鐵磁性導(dǎo)電填料，其特征在于所述的導(dǎo)電功能團包括所有導(dǎo)電材料，特別是炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等。
5.如權(quán)利要求3所述的鐵磁性導(dǎo)電填料，其特征在于所述的鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，特別是Fe、Co、Ni、Fe203、Fe3O4等。
6.如權(quán)利要求I所述的一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。
7.如權(quán)利要求I所述的一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于所述的交聯(lián)劑為苯乙烯。
8.如權(quán)利要求I所述的一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法，其特征在于所述的磁場是由電磁鐵、電磁線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種各向異性導(dǎo)電材料制備方法。本發(fā)明方法是在有機高分子單體中加入一定量的鐵磁性導(dǎo)電填料，在適當?shù)臏囟葪l件下機械攪拌均勻。如果有機物為熱固性聚合物，在體系分散均勻后，再加入適量的固化劑或交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌均勻。將彌散復(fù)合體系注入模具中，然后在模具處施加磁場，取向一定時間。將取向成型后的樣品置于烘箱內(nèi)保溫固化一定時間，直至樣品完全固化。本發(fā)明制備各向異性導(dǎo)電材料的工藝簡單，實用。鐵磁性導(dǎo)電填料在外磁場的作用下呈鏈狀分布，材料在平行鏈狀方向的導(dǎo)電性遠遠高于垂直鏈狀方向。
文檔編號H01B1/22GK102952387SQ20121043327
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者彭曉領(lǐng), 金頂峰, 洪波, 金紅曉, 王新慶, 徐靖才, 葛洪良 申請人:中國計量學(xué)院