專(zhuān)利名稱(chēng)：導(dǎo)電ptfe帶的制作方法
導(dǎo)電PTFE帶相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)涉及2004年4月29日提交的題為"通過(guò)混合單壁納米 管獲得的導(dǎo)電PTFE帶"的臨時(shí)申請(qǐng)60/566， 632和2004年4月29日提 交的題為"通過(guò)混合氣相生長(zhǎng)的碳纖維或多壁碳納米管獲得的導(dǎo)電PTFE 帶"的臨時(shí)申請(qǐng)60/566,633。技術(shù)領(lǐng)域
本申請(qǐng)涉及制造導(dǎo)電聚四氟乙烯(PTFE)帶。
技術(shù)背景
美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,384,128公開(kāi)了一種在單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)中 與導(dǎo)電纖維和碳粉一起混合的多種熱塑性樹(shù)脂的組合物，該擠出機(jī)熔融、 揉捏和擠出這些混合物。
美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,528,572公開(kāi)了多種多樣的熱塑性樹(shù)脂中的導(dǎo)電 填料，例如碳纖維或具有抗靜電劑的碳黑。
美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,689,835公開(kāi)了一種導(dǎo)電、聚合的組合物，其包括聚合樹(shù)脂和導(dǎo)電填料系統(tǒng)，該導(dǎo)電填料系統(tǒng)包括小的碳纖維和碳粉或 纖維狀的不導(dǎo)電填料或兩者的結(jié)合。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2003/0068550公開(kāi)了一種涂敷有導(dǎo)電聚合物的電極，該電極由碳材料/導(dǎo)電聚合物合成物組成。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2003/0158323公開(kāi)了將單壁碳納米管和多 壁碳納米管(CNT)有效分散到聚合物中的方法。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2003/0181568公開(kāi)了類(lèi)似于美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6,689,835的組合物。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2004/0028859公開(kāi)了導(dǎo)電和/或具有水乳膠聚合物粘合劑、吸收電磁輻射涂層的組合物。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2004/0029706公開(kāi)了陶瓷納米組合物，其包括陶瓷主體和納米結(jié)構(gòu)的碳材料。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2004/0077771公開(kāi)了類(lèi)似于美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6,384,128的組合物。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2004/0262581公開(kāi)了用于制造包括聚合物樹(shù)脂、碳納米管和任選的增塑劑的組合物的方法。
專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)U.S.2005/0038225公開(kāi)了包括有機(jī)聚合物和單 壁碳納米管(SWNT)成分的組合物，其通過(guò)在聚合物前體聚合過(guò)程之前 或期間將SWNT加到聚合物前體中來(lái)制造。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有導(dǎo)電表面的含氟聚合物帶。尤其是，本發(fā) 明涉及一種聚四氟乙烯(PTFE)帶以及通過(guò)氣相生長(zhǎng)的碳纖維或碳納米 管或兩者結(jié)合與PTFE混合來(lái)制造導(dǎo)電帶的方法。


圖1是用于制造PTFE帶的典型的糊料(paste)擠出過(guò)程的示 意圖2是用于制造在糊料擠出過(guò)程中使用的PTFE壓片的示意 圖；以及
圖3是用于制造在糊料擠出過(guò)程中使用的PTFE壓片的裝置的 改進(jìn)圖。具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及導(dǎo)電聚四氟乙烯(PTFE)帶及其制 造方法。PTFE是一種獨(dú)特的含氟聚合物，包括全氟烷氧基共聚物(PFA); 乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE);聚(氯三氟乙烯)(PCTFE);氟化乙烯 丙烯共聚物(FEP);聚(偏二氟乙烯)(PVDF);無(wú)定形含氟聚合物(AF); 以及乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)可以用來(lái)制造導(dǎo)電帶。PTFE作為聚合物 形成極不活潑的帶。具有460千焦/摩爾離解能的碳-氟鍵是有機(jī)化學(xué)中熟 知的最強(qiáng)化學(xué)鍵之一，并且只能在極端條件(例如加熱超過(guò)IOO(TF)下 分解。PTFE的惰性使得其在強(qiáng)酸例如電池結(jié)構(gòu)、燃料電池等中操作時(shí)作 為所選擇的聚合物。PTFE帶，如這里所定義的，是具有兩個(gè)表面，且具 有大約0.001到大約0.100英寸厚度的薄片。
制造導(dǎo)電含氟聚合物帶的優(yōu)選方法是通過(guò)糊料擠出；然而，帶 可以通過(guò)薄膜鑄塑制得。在這兩種過(guò)程中，碳必須與含氟聚合物(優(yōu)選 是PTFE) —起分散。在嘗試使用碳黑來(lái)制造導(dǎo)電帶的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在PTFE中添加大約20%的碳黑，其對(duì)于獲得實(shí)際導(dǎo)電率是必要的，但 混合物的粘度太高以至于不能通過(guò)常規(guī)糊料擠出方法制造帶。而且，該 PTFE帶的物理性能(例如抗拉強(qiáng)度和延伸率)是相當(dāng)?shù)男　?br> PTFE樹(shù)脂商業(yè)制造成凝結(jié)的分散聚合物(精細(xì)的均勻粉末)， 這種PTFE樹(shù)脂是本發(fā)明中使用的優(yōu)選的樹(shù)脂，或PTFE樹(shù)脂商業(yè)制造成 粒狀粉末。
本發(fā)明用的碳優(yōu)選是氣相生長(zhǎng)的纖維(VGCF)。也可以使用碳 納米管。碳納米管可以是單壁碳納米管(SWNT)或多壁碳納米管 (MWNT)或其混合物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在不首先用超聲方法進(jìn)行處理的情況 下，納米管和PTFE不容易分散。在制造納米管的過(guò)程中，SWNT或MWNT 彼此粘結(jié)或成束，這被認(rèn)為是范德瓦爾斯力作用的結(jié)果。這種成束使得 碳不均勻，也就是，不是均勻的納米(nm)尺寸的碳，成束的碳在與PTFE 的分散中充當(dāng)尺寸大得多的碳的角色，具有在碳黑中尺寸大得多的碳的 性質(zhì)。用來(lái)制造可分散的、均勻的碳的超聲方法是將納米管，或SWNT 或MWNT放置在在糊料擠出過(guò)程中使用的潤(rùn)滑劑優(yōu)選是異鏈烷烴溶劑 中。玻璃容器中的納米管和潤(rùn)滑劑混合物放置在40-70KHz水浴超聲波儀 中一段時(shí)間，典型的是10分鐘到48小時(shí)。超聲處理后，納米管與PTFE 樹(shù)脂分散，并且在糊料擠出過(guò)程中擠出該混合物。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多VGCF的制造過(guò)程具有納米管成束的特性，類(lèi)似 的，VGCF可以在水浴超聲波儀中處理以制造和PTFE樹(shù)脂可分散的碳。
分散碳，或VGCF或超聲處理的具有PTFE的SWNT、 MWNT 或VGCF的優(yōu)選方法是在滾筒裝置例如Gemco， Turbula Shaker-Mixer中 準(zhǔn)備制造糊料擠出過(guò)程中用的糊料。碳和PTFE與潤(rùn)滑劑一起以預(yù)期的濃 度翻滾。潤(rùn)滑劑優(yōu)選是異鏈烷烴溶劑；然而，可以使用N,N二甲基甲酰 胺(DMF)、十二烷基苯磺酸(DDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、 12隱氨 基十二酸；四氫呋喃(THF);或O-二氯苯(ODCB)。如果經(jīng)過(guò)超聲處 理碳已經(jīng)分散，則和碳一起使用的潤(rùn)滑劑可以直接加到翻滾裝置中。如 果必要，翻滾后，混合物還可以和高剪切設(shè)備一起混合?，F(xiàn)在參考圖1，擠出機(jī)l迫使壓片2通過(guò)模子3。模子3可以 是錐形模、魚(yú)尾形模、衣架?；蛱厥獾膶?zhuān)用模，每個(gè)模子直接或非直接 地形成在壓片機(jī)4中的兩個(gè)輥直接產(chǎn)生的片。該片然后通過(guò)輥傳輸?shù)揭?系列輥，如圖所示在蒸發(fā)爐中為4個(gè)輥。在該爐中，可能是隔板(未示 出)允許每個(gè)輥周?chē)臏囟鹊玫娇刂?，并且蒸發(fā)的潤(rùn)滑劑可以在有效而 安全的環(huán)境中從爐中除去。該片從爐5中除去并巻繞在滾筒6上，成為 最終的帶子。蒸發(fā)爐5中的輥可以在該片穿過(guò)爐5以獲得預(yù)期厚度的最 終的帶子時(shí)，以獨(dú)立速度運(yùn)行以拉長(zhǎng)和減小該片的厚度，如圖1所示是 傳統(tǒng)的商業(yè)糊料擠出過(guò)程。
現(xiàn)在參考圖2，示出了用來(lái)制造壓片2的裝置。該特殊的裝置取決于自動(dòng)化和體積，或該特殊的裝置可以是由人手動(dòng)控制的裝置。操 作是將預(yù)期量的PTFE、碳和潤(rùn)滑劑的混合物以預(yù)期糊料的濃度來(lái)填充壓 力機(jī)7。具有與壓力機(jī)7基本相同尺寸的頭9的活塞8將糊料壓縮成壓片 2。作為被壓縮的壓片2，壓片2可以作為單個(gè)結(jié)構(gòu)被處理并注入模子3。
以下給出的實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明
該實(shí)例示例說(shuō)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中碳優(yōu)選是VGCF。
在滾筒裝置中，5-7重量％的VGCF和65-75重量％的PTFE翻 滾30-60分鐘。在翻滾期間，15-25重量％的潤(rùn)滑劑噴射到該混合物中。 備選地，在翻滾之前將潤(rùn)滑劑噴射到VGCF和PTFE的混合物中。翻滾 后，預(yù)混合的混合物在No.lO濾網(wǎng)上篩分，其孔的大小為2.00毫米(mm) 以除去大一些的結(jié)塊。然后在繼續(xù)糊料擠出過(guò)程前，在環(huán)境條件下將預(yù) 混合的混合物放置在塑料袋中至少20-48小時(shí)。
然后預(yù)混合的混合物放置在400-900磅/平方英寸壓力下以制 造壓片，然后其在900-1800磅/平方英寸下擠出。該擠出的片被壓片，然 后注入到四加熱區(qū)的蒸發(fā)爐中。該壓片速度為大約11英尺/分，加熱區(qū)的 溫度分別為425。 、 465° 、 525°和530°F 。制造出厚度為4-8密耳的帶子。
帶子的表面電阻在105-103歐姆/平方的1化范圍內(nèi)。軸向強(qiáng)度為 1000-3000磅/平方英寸，軸向延伸率為100-300%;橫向抗拉強(qiáng)度為 600-1000磅/平方英寸，橫向延伸率為500-800%。為獲得更強(qiáng)的帶子， 制造時(shí)該帶可以被燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，在高于熔點(diǎn)327X:的條件下加熱 帶子足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得PTFE經(jīng)過(guò)凝膠狀態(tài)。燒結(jié)后，帶子的表面電阻 降低到接近102歐姆/平方。軸向抗張強(qiáng)度為4000-7000磅/平方英寸，軸 向延伸率為100-250%;橫向抗張強(qiáng)度為3000-5000磅/平方英寸，橫向延 伸率為200-400%。 實(shí)施例2
該實(shí)例示例說(shuō)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中碳是納米管。
1-2重量％的碳納米管、20-30重量％的異鏈垸烴溶劑以及 0.1-0.5重量％的低沸點(diǎn)脂肪醇放置在容器中。將混合物放置在40-70 KHz 水浴超聲儀中l(wèi)小時(shí)。然后，該混合物和60-75重量％的PTFE在滾筒裝 置中翻滾。翻滾后，該混合物與高剪切率裝置進(jìn)一步混合，該混合物被 篩分、封裝和儲(chǔ)存在環(huán)境條件下至少24小時(shí)。
除了擠出壓力更低并且范圍在900-1200磅/平方英寸之外，帶糊料擠出過(guò)程類(lèi)似于實(shí)施例1中所述。
帶子的表面電阻在105-103歐姆/平方的范圍內(nèi)。軸向抗拉強(qiáng)度 為500-2000磅/平方英寸，軸向延伸率為100-300%;橫向抗拉強(qiáng)度為 300-1000磅/平方英寸，橫向延伸率為500-800%。燒結(jié)后，帶子的表面 電阻升高到接近102歐姆/平方。軸向抗拉強(qiáng)度為3000-7000磅/平方英 寸，軸向延伸率為50-250%;橫向抗拉強(qiáng)度為800-5000磅/平方英寸，橫 向延伸率為100-400%。實(shí)施例3
該實(shí)例示例說(shuō)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中碳是VGCF和納米管的 混合物。
VGCF和納米管通過(guò)將混合物放置在容器中和放置在40-70 KHz的水浴超聲儀中1小時(shí)進(jìn)行預(yù)處理。帶糊料擠出過(guò)程類(lèi)似于實(shí)施例 2中所述。
現(xiàn)在參考圖3A和3B，壓力機(jī)7的橫截面通常如圖3A中所示， 其中單中糊料PTFE、碳和潤(rùn)滑劑注入壓力機(jī)7中。PTFE帶在片的兩側(cè) 將具有相同的電阻率。然而，如圖3B中所示，在壓力機(jī)7中使用隔板時(shí)， 制得改進(jìn)的帶。改進(jìn)的帶可以在片的每側(cè)具有不同的電阻率或一側(cè)具有 電阻率而另一側(cè)沒(méi)有電阻率。 實(shí)施例4
該實(shí)例示出改進(jìn)的PTFE帶。
在具有如圖3B中所示的將兩種預(yù)混合的混合物分開(kāi)的隔板的 壓力機(jī)7中， 一種具有實(shí)施例1的組成成分的混合物填充X，而第二種 沒(méi)有碳(如最近使用的PTFE的商業(yè)混合物)的PTFE的混合物填充Y。 移去該隔板使得活塞進(jìn)入壓力機(jī)以形成壓片。在擠出過(guò)程中，使用模子 來(lái)保持兩種混合物的方位，使得一種混合物在制得的片之上，而另一種 混合物在制得的片的底部。所制作的帶具有帶有電阻率的一個(gè)表面和具 有電阻率差異很大的另一個(gè)表面。有可能對(duì)改進(jìn)的帶子進(jìn)行改變。
本發(fā)明的帶子在電池和燃料電池工業(yè)、醫(yī)療業(yè)、航空航天工業(yè)、 汽車(chē)工業(yè)流水線(xiàn)、電纜、泵、閥、壓縮機(jī)和工業(yè)封裝中具有優(yōu)異的潛在 應(yīng)用。這些帶子可以用于電磁屏蔽、靜電消除或抗靜電目的。該帶子可 以纏繞在未燒結(jié)的軸上以形成管，這些管在燒結(jié)后可以運(yùn)載液體。
權(quán)利要求
1、一種含氟聚合物帶，其具有導(dǎo)電表面。
2、 一種具有導(dǎo)電表面的PTFE帶。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的PTFE帶，其中所述導(dǎo)電表面位于所述帶的兩
4、 根據(jù)權(quán)利要求2的PTFE帶，其中所述帶的一側(cè)比所述帶的另一 側(cè)更導(dǎo)電。
5、 一種制造導(dǎo)電PTFE帶的方法，包括 將可分散的碳與PTFE樹(shù)脂混合以形成壓片；以及 將所述壓片擠出形成帶。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述可分散的碳是氣相生長(zhǎng)的碳纖維。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述可分散的碳是碳納米管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述可分散的碳是包含氣相生長(zhǎng)的 碳纖維和碳納米管的碳的混合物。
9、 一種從成束的碳制造可分散的碳的方法，包括 將所述成束的碳和異鏈烷烴溶劑置于水浴超聲波儀中，并將所述成束的碳和異鏈烷烴溶劑的混合物經(jīng)受超聲波頻率一段時(shí)間。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述成束的碳是納米管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有導(dǎo)電表面的含氟聚合物帶。尤其是，本發(fā)明涉及一種聚四氟乙烯(PTFE)帶以及通過(guò)氣相生長(zhǎng)的碳纖維或碳納米管或兩者結(jié)合與PTFE混合來(lái)制造導(dǎo)電帶的方法。
文檔編號(hào)B32B27/00GK101213617SQ200680023449
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者B·舒爾特-拉德貝克, J·任 申請(qǐng)人:全塑膠公司