一種超高分子量導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及導(dǎo)電復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是一種超高分子量導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超高分子量聚乙締（也稱高強(qiáng)高模聚乙締，縮寫為UHMW-PE)是新型熱塑性工程塑 料，分子結(jié)構(gòu)和普通聚乙締相同，粘均分子量達(dá)150萬~1000萬（普通聚乙締的粘均分子量 在4萬~12萬）"UHMW-PE纖維是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，是繼碳纖維、芳絕 纖維之后出現(xiàn)的第3代高性能纖維。日本和美國UHMW-陽產(chǎn)品的粘均分子量超過600萬W上， 德國UHMW-PE產(chǎn)品的粘均分子量超過1000萬，我國UHMW-PE產(chǎn)品的粘均分子量也可W達(dá)到 600萬W上。
[0003] UHMW-PE分子鏈很長，沿同一方向排列，相互纏繞，通過強(qiáng)化分子之間的相互作用， 較長的分子鏈能夠更有效地將載荷傳遞給主鏈，所W ,UHMW-PE具有很高的比模量和比強(qiáng) 度。UHMW-PE具有極佳的抗沖擊性、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、耐低溫性、耐候性、耐應(yīng)力開裂 性、抗粘附、自身潤滑性等，廣泛應(yīng)用于化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑、冶金、礦業(yè)、水利、煤炭、電力 等領(lǐng)域。
[0004] 導(dǎo)電復(fù)合材料通常是將不同性能的無機(jī)導(dǎo)電填料滲入到基體聚合物中，經(jīng)過分散 復(fù)合或?qū)臃e復(fù)合等成型加工方法而制得。根據(jù)導(dǎo)電填料的不同，填充型導(dǎo)電復(fù)合材料可分 為炭黑填充型、金屬填充型、纖維填充型等?，F(xiàn)有技術(shù)采用高比表面積的碳纖維、碳納米管、 高導(dǎo)電碳黑或石墨締來做防靜電、導(dǎo)線及電池電極等行業(yè)的產(chǎn)品，大多加工困難，成本高 昂，導(dǎo)電能力弱、蓄能差等缺點(diǎn)。目前，現(xiàn)有裡電池電極材料是通過銅作支撐導(dǎo)電板，W不導(dǎo) 電的高分子膠粘劑加導(dǎo)電劑再涂覆高純度石墨而成，僅薄薄的一層，粘附不牢易脫落，充電 時，裡離子在充放電過程中，由于鑲嵌脫落時力的作用，石墨容易松動脫落，銅板受腐蝕，從 而影響電池的蓄能蓄電能力和充放電次數(shù)，且導(dǎo)電能力弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超高分子量導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備方 法。超高分子量聚乙締、石墨、交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑、接枝劑均勻混合，在一定溫度下，進(jìn)行化學(xué) 反應(yīng)和物理作用后，形成一種導(dǎo)電高分子復(fù)合材料。超高分子量聚乙締經(jīng)交聯(lián)加聚改性后 成為伸直取向的分子鏈結(jié)構(gòu)，石墨晶體在超高分子量聚乙締的高粘稠性及機(jī)械的物理作用 力下，脫開片層之間的范德華力，形成了具有單層或者多層二維結(jié)構(gòu)石墨締的混合物，具有 高絕緣非極性的超高分子量聚乙締和高導(dǎo)電極性的石墨締混合物，兩者牢牢結(jié)合在一起形 成新的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料。即石墨中的石墨締片在交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑的化學(xué)能驅(qū)使下雙鍵 打開加聚變大，并也會與聚乙締活性游離碳化學(xué)鍵相連加聚，同時會讓僅靠范德華力由幾 百萬層石墨締結(jié)合而成的石墨，會在凝膠體的經(jīng)交聯(lián)加聚超高分子量聚乙締的高粘稠性及 機(jī)器作用力下而脫開成含石墨締層數(shù)變小的石墨數(shù)量越來越多，且高凝膠的經(jīng)交聯(lián)加聚超 高分子量聚乙締具有高絕緣無極性和高導(dǎo)電極性的石墨，根據(jù)物理異性相吸原理，兩者會 牢牢結(jié)合在一起形成導(dǎo)電通路，使高分子復(fù)合材料具有了高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能的新材料。 而且經(jīng)交聯(lián)加聚超高分子量聚乙締是具有高結(jié)晶度的結(jié)晶體材料，石墨是六邊形結(jié)晶體， 兩種物質(zhì)都具有物理結(jié)晶微孔，結(jié)晶孔多對蓄能電池和電容的極板的蓄離子能力會大大提 高比容積量，比現(xiàn)有工藝石墨通過膠粘在銅錐上要投資小，工藝簡單，大大降低了材料成 本，質(zhì)量穩(wěn)定性高，環(huán)境無污染，應(yīng)用于電池上時大大提高了電池比容量，降低重量，提高了 裡電池的安全性。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:如上所述一種超高分子量導(dǎo)電復(fù)合 材料，是由W下重量份數(shù)的原料組成： 超高分子量聚乙締 10~70份； 石墨 20~80份； 交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑 0.2~5份； 接枝劑 0.2~5份。
[0007] 進(jìn)一步地，所述超高分子量聚乙締的粘均分子量大于300萬。
[0008] 進(jìn)一步地，所述交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑為過氧化二異丙苯、過氧化二叔下基、過氧化苯甲 酸叔下醋中的一種或多種。
[0009] 進(jìn)一步地，所述接枝劑包括乙締基=甲氧基硅烷、乙締基=乙氧基硅烷、異下基= 乙氧基硅烷中的一種或多種。
[0010] 作為一種制造上述超高分子量導(dǎo)電復(fù)合材料的方法，先將所述超高分子量聚乙 締、石墨、交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑和接枝劑按比例混合均勻，加入塑料造粒機(jī)加熱混煉，所述超高 分子量聚乙締和石墨發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，從而形成新的化學(xué)復(fù)合材料。
[0011] 進(jìn)一步地，超高分子量聚乙締、石墨、交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑和接枝劑的重量比為10~70 :20~80 :2~5:2~5。
[0012] 進(jìn)一步地，超高分子量聚乙締和石墨交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑優(yōu)選重量比為3:7。
[0013] 進(jìn)一步地，交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑和接枝劑占石墨的重量百分比為0.5%~1.5%。
[0014] 進(jìn)一步地，所述塑料造粒機(jī)的混合溫度為130~220°C，造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為80~20化pm， 混合時間為3-lOmin。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是:通過超高分子量聚乙締、石墨、交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑、接枝劑均 勻混合，在一定溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和物理處理后，形成一種超高分子量聚乙締和石墨重 新結(jié)合的新型復(fù)合材料。由于基體材料超高分子量聚乙締具有高粘性，使導(dǎo)電填充材料能 夠牢固粘附在基體上，超高分子量聚乙締是高結(jié)晶度的結(jié)晶體材料，石墨是六邊形結(jié)晶體， 兩種物質(zhì)都具有物理結(jié)晶微孔，兩者結(jié)合后結(jié)晶孔大幅增多，從而大大提高吸附電子和離 子的能力。
[0016] 經(jīng)過電化學(xué)實(shí)驗的分析，結(jié)果顯示在同標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)電壓下，本材料產(chǎn)生的總電勢 差可達(dá)到0.245V。
[0017] 可W應(yīng)用于導(dǎo)電電纜、電子產(chǎn)品、電池蓄能、電容、超級電容、高性能復(fù)合材料等領(lǐng) 域。
【具體實(shí)施方式】
[0018] W下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人±可由本說明 書所掲露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0019] 超高分子量聚乙締是一種線性分子鏈結(jié)構(gòu)，纖維性及拉伸強(qiáng)度極高，極其難加工 成產(chǎn)品，它具有極高的非極性，是一種熱塑性高分子材料，結(jié)晶度高，具有熱固性塑料的硬 度，分子量大、絕緣性高、極易吸附電子。而石墨是由導(dǎo)電速度和導(dǎo)電能力都比銅高的石墨 締組成的材料，兩者融合就實(shí)現(xiàn)蓄電子、蓄離子能、高傳導(dǎo)的作用。石墨是由石墨締通過范 德華力結(jié)合而成的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料，但石墨的比面積很小，只有10平方米/克， 碳黑具有500W上平方米/克比面積，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線原理比石墨就容易多了，要想石墨與高分子 材料實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)體十分困難?，F(xiàn)在技術(shù)都是采用高比表面積高價的碳纖維和碳納米管及高導(dǎo) 電炭黑和石墨締來做防靜電和導(dǎo)線及電池電極，運(yùn)些材料加工難、成本高、難W大規(guī)模應(yīng) 用，本方法是利用天然石墨而實(shí)現(xiàn)低成本、高導(dǎo)電功能。
[0020] 超高分子量聚乙締(H0Y-UHMW陽簡稱:HPE)是直接具有纖維及晶體物理性能的高 分子新材料。經(jīng)交聯(lián)加聚超高分子量聚乙締得到，W下簡稱為HPE，冊E的分子式為：一(-CH2-CH2-) - n-，含有大量已伸直取向的纖維，在工藝上是可W直接實(shí)現(xiàn)纖維和晶體的高 強(qiáng)度物理力學(xué)性能的材料。HPE具有高粘稠、自粘性、高耐腐蝕、高絕緣無極性、高拉伸強(qiáng)度、 高結(jié)晶度的特性。石墨是由石墨締通過范德華力結(jié)合的高導(dǎo)電導(dǎo)熱的晶體材料。HPE與石墨 復(fù)合，充分融合兩種材料各自的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)了新能源電池、電容電極W及集電器的高導(dǎo) 電功能。
[0021] -種超高分子量導(dǎo)電復(fù)合材料是超高分子量聚乙締在在交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑的作用 下加聚成易于加工的高性能HPE，石墨中的石墨締片在交聯(lián)引發(fā)促進(jìn)劑的作用下，雙鍵打 開，石墨締與聚乙締活性基團(tuán)發(fā)生加聚反應(yīng)。與此同時，由僅靠范德華力作用的石墨締結(jié)合 而成的石墨，會在凝膠體的HPE高粘稠性及機(jī)械外力作用下脫開，使得含石墨締層數(shù)小的石 墨數(shù)量越來越多。高絕緣非極性H陽和高導(dǎo)電極性的石墨，根據(jù)物理異性相吸原理，兩者會 牢牢結(jié)合在一起形成導(dǎo)電通路，使高分子復(fù)合材料具有了高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能的新材料。 而且H陽是具有高結(jié)晶度的結(jié)晶體材料，石墨是六邊形結(jié)晶體，兩種物質(zhì)都具有物理結(jié)晶微 孔，結(jié)晶孔多，蓄能電池和電容極板的蓄離子能力會大大提高，比現(xiàn)有的石墨通過膠粘在銅 錐上投資小，工藝簡單，大大降低了材料成本，質(zhì)量穩(wěn)定性高，環(huán)境無污染，最大特點(diǎn)是大大 提高了電池比容量，降低重量，提高了裡電池的安全性。
[0022] (一）利用H陽高粘稠膠性，石墨很容易粘附包覆在烙融狀態(tài)H陽表面，在拉力作用 下已伸直取向的H陽纖維表面易粘牢石墨形成導(dǎo)線，要形成導(dǎo)線及纖維橫向貫穿導(dǎo)通，只有 等體積下石墨有效顆粒越小且大于冊E有效質(zhì)量，才會達(dá)到體積電阻率在200 Q/cmW下的 高導(dǎo)電材料。經(jīng)多次實(shí)驗驗證，兩種不同粒徑的高純度石墨與HPE相結(jié)合，生成了表面光潔， 體積電阻率達(dá)到1 〇-1或10喻導(dǎo)電高分子材料。
[0023] (二）利用HPE的高耐腐蝕，在電池中蓄能都是電化學(xué)過程，高腐蝕環(huán)境下，導(dǎo)電金 屬很容易被酸堿度氧化成不良導(dǎo)體，蓄能離子的晶孔也會被破壞。現(xiàn)有技術(shù)一般采用塑料 膠加導(dǎo)電劑涂覆在導(dǎo)電