一种高导电率热塑性复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及导电复合材料领域，尤其是一种高导电率热塑性复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

现有的导电复合材料，多是在基体树脂中添加炭黑、碳纤维、碳纳米管、金属纤维、金属粉等导电填料中的一种。就这几种导电填料而言，炭黑是目前应用最为广泛的，其性价比高，但其本征电阻值偏高，当其饱和填充后，复合材料的电阻难以继续大幅度下降，因此，难以满足低电阻复合材料的需求。碳纤维、碳纳米管、金属纤维虽然本征电阻值低，但其成本较高。尤其是为了得到较低电阻的复合材料时，往往需要在基体树脂中添加大量的导电填料，以使导电填料在基体树脂内形成连续的网络结构，但这会降低复合材料的各项力学性能(如拉伸强度、耐疲劳性能等)。此外，对于导电纤维(金属纤维、碳纤维)而言，注塑成型后树脂容易包覆纤维，反而会极大程度地增加材料表面的接触电阻。

针对上述问题，现有技术多是通过将各种导电填料进行复配，如通过将金属导电粉与碳纤维进行复配，可提升冲击弹性和拉伸性能。又如通过将碳纳米管与金属纤维复配，可提升冲击强度，也保障较优的电磁屏蔽性能。但现有的关于导电填料的改进中，金属纤维的用量相对较高，一般用量为基体树脂的10-20wt％左右，这不仅提升了生产成本，也使得复合材料的可加工性较差，限制了其应用场景。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种高导电率热塑性复合材料及其制备方法与应用，其可有效降低导电纤维的用量，降低生产成本，同时使得复合材料具备高导电率和高力学性能。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种高导电率热塑性复合材料，包括以下重量份的组分：热塑性树脂50-80份，导电炭粉20-55份，导电纤维0.1-10份；

其中，所述导电纤维的电导率为所述导电炭粉的电导率的100倍以上，优选的，导电纤维的电导率为导电炭粉电导率的30000～45000倍。具体的，电导率的测定方法为：先测量特定长度导电纤维的电阻值、直径，然后通过下式计算电导率：

上式中，σ为导电纤维的电导率，D为导电纤维的直径，R为L长度的导电纤维的电阻，L为导电纤维的长度。

导电炭粉的导电率测试方法为，将导电炭粉置于直径10mm的圆柱形模具中，使用液压机在30MPa压力下将导电炭粉压实，测量圆柱上下端面的电阻值，同样使用上述公式计算得到电导率。

由于导电纤维的电导率比导电炭粉高100倍以上，通过高含量导电炭粉与少量导电纤维的复配，可以分别发挥导电炭粉的低接触电阻优势和导电纤维的宏观联通优势，可以大幅度降低复合材料的电阻下限；同时有效降低高成本的导电纤维的使用量；并保障复合材料具备较优的力学性能。

示例性的，热塑性树脂的用量为50份、52份、54份、56份、58份、60份、62份、64份、66份、68份、70份、72份、74份或78份，但不限于此。优选的，热塑性树脂的用量为50-60份。该用量范围的热塑性树脂所制备得到的复合材料具备较好的机械性能及较高的导电率。

具体的，当导电炭粉的用量＞55份时，会大幅度降低可加工性能，难以得到可用的材料，当导电炭粉的用量＜20份时。所得复合材料的电阻较高。示例性的，导电炭粉的用量为21份、23份、25份、27份、29份、31份、33份、35份、37份、39份、41份、43份、45份、47份、49份、51份、53份，但不限于此。优选的，导电炭粉的用量为40-50份，该用量的导电炭粉可在基体树脂内形成近饱和的物理通路，降低复合材料的电导率。

示例性的，导电纤维的用量为0.15份、0.3份、0.5份、0.8份、1份、1.2份、1.5份、1.8份、2份、2.5份、3份、4份、5份、6份、7份、8份或9份，但不限于此。优选的，导电纤维的用量为0.5-2份，该用量范围的导电纤维所制备得到的复合材料具备较好的机械性能及较高的导电率。

在本发明的一个实施例中，所述导电炭粉与所述导电纤维的重量比为(20-100)：1。

具体的，本申请发明人通过大量的试验探究后意外发现，将导电炭粉与导电纤维的用量控制在上述比例时，复合材料的电阻会大幅降低，具备显著的协同效应，最具实际应用的费效比。

在本发明的一个实施例中，所述导电炭粉与所述导电纤维的重量为(25-50)：1。本申请发明人经过大量创造性试验探究后发现，导电炭粉和导电纤维采用上述比例时，最终制备得到的高导电热塑性复合材料的综合性能达到最佳。

在本发明的一个实施例之中，所述热塑性树脂的熔融温度为50-400℃，具体的，热塑性熔融温度的测定方法为，使用DSC测量材料的玻璃化转变温度或者熔融温度，选两者中数值较高者作为熔融温度。示例性的，热塑性树脂可选用PE、PP、ABS、PC、PPE、PA、聚醚嵌段聚酰胺中的一种或多种，但不限于此。优选的，热塑性树脂选用PE、PP、PC中的一种或多种，这几种热塑性树脂可实现更高的填充。

在本发明的一个实施例之中，导电纤维选用金属纤维和/或碳纤维，其电导率＞10

在本发明的一个实施例之中，所述导电炭粉为导电炭黑，其吸油值为100-400cm

在本发明的一个实施例之中，还包括以下重量份的组分：添加剂0.1-10份；所述添加剂选用抗氧剂、增韧剂、润滑剂、矿物填料中的一种或多种。具体的，抗氧剂可选用受阻酚抗氧剂，如SONOX1010，但不限于此。增韧剂可选用POE，但不限于此。润滑剂可选用EBS，但不限于此；矿物填料可选用滑石和/或碳酸钙粉，但不限于此。相应的，本发明还公开了上述的高导电率热塑性复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)按配比称量各种原料，并混合均匀，得到混合物料；

(2)将混合物料加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，得到所述高导电率热塑性复合材料；其中，双螺杆挤出机的长径比为(30-60)：1，其加工温度为120-400℃。

相应的，本发明还公开了上述的高导电率热塑性复合材料在汽车、家电、电子电器、电磁屏蔽装置中的应用。

实施本发明，具有以下有益效果：

本发明通过高含量导电炭粉与少量导电纤维的复配，可以分别发挥导电炭粉的低接触电阻优势和导电纤维的宏观联通优势，可以大幅度降低复合材料的电阻下限，同时有效降低高成本的导电纤维的使用量，并保障复合材料具备较优的力学性能。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到，本发明平行的实施例和对比例中的增韧剂、抗氧剂、润滑剂、矿物填料均为相同的市售产品。

现对实施例及对比例所用原料做如下说明，但不限于这些材料：

A1：PP树脂，兰州石化，PP SP179，熔融温度为170℃；

A2：PE树脂，吉林石化，LLDPE 7042，熔融温度为130℃；

A3：PA树脂，巴陵石化，PA6 YH400，熔融温度为230℃。

B1：导电炭粉，DBP吸油值120cm

B2：导电炭粉，DBP吸油值350cm

C1：不锈钢纤维，贝卡尔特，BU8/12000，长度10mm，直径7μm，电导率为1.45×10

C2：碳纤维，PX35CA0250-65，东丽，长度7mm，直径7μm，电导率为4.5×10

D(增韧剂)：马来酸酐接枝POE，市售；

E(抗氧剂)：SONOX 1010，市售；

F(润滑剂)：POE，市售；

G(矿物填料)：滑石粉，市售；

实施例1-13及对比例1-5

实施例1-13及对比例1-5的高导电率热塑性复合材料的组分及重量份选择如表1、表2所示，其中，实施例1-13及对比例1-5的高导电率热塑性复合材料的制备方法为：

(1)将热塑性树脂与增韧剂混匀，得到第一混合料(若配方中不含增韧剂，则省去此步骤)；

(2)将第一混合料、导电炭粉、导电纤维混匀，得到第二混合料；

(3)将第二混合料喂入双螺杆挤出机中挤出造粒即得，其中，双螺杆挤出机长径比48：1，PE、PP采用200℃的加工温度，PA采用260℃的加工温度。

表1

注：表中“-”表示不添加该组分，下同。

表2

对实施例1-13和对比例1-5制备的材料进行性能测试，各项性能的测试方法如下：

(1)电阻：根据ISO 527-2-2012中的方法制备样条，并测定两端的电阻值，测定温度为25℃，所采用的仪器为VICTOR VC9808型万用表。

(2)缺口冲击强度，依据ISO 180，采用A型缺口。

(3)屏蔽效能(0.5G-2G)，将组合物注塑为注塑150*150*2mm方板，按照GB/T30142-2013，法兰同轴装置测试法，测试方板在0.5～2GHz频率内的电磁屏蔽效能。

具体的测试结果如表3所示：

表3

由实施例7、对比例1-2的对比可以看出，仅在复合材料中添加导电纤维或导电炭黑的一者时，复合材料的电阻均大于37.1Ω，是实施例7的16倍以上。并且，通过实施例7、对比例3～5的对比可以看出，当变更本发明中热塑性树脂的用量范围、导电炭粉的用量范围或导电纤维的用量范围时，所得复合材料要么电阻很高，要么难以成型为电磁屏蔽性能的试样(表明其加工性能差)。这说明，当变更本申请中组分的用量范围时，难以实现低电阻与高加工性能的平衡。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。