具有提高的電導(dǎo)率的復(fù)合材料以及包含該復(fù)合材料的模制品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種具有提高的電導(dǎo)率的復(fù)合材料W及包含該復(fù)合材料的模制品。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱塑性樹脂，特別是具有優(yōu)異機(jī)械性能和好的耐熱性的高性能塑料，用于多種應(yīng) 用。例如，聚酷胺樹脂和聚醋樹脂適合用于各種工業(yè)部件，包括電氣/電子部件、機(jī)器部件 和汽車部件的制備，由于它們的機(jī)械性能和初性的良好平衡，所W主要是通過注塑成型。具 有優(yōu)異的模制性能、耐熱性、機(jī)械性能和耐化學(xué)性的聚醋樹脂，尤其是聚對苯二甲酸了二醇 醋和聚對苯二甲酸己二醇醋，廣泛用作工業(yè)模制品例如連接頭、繼電器、W及汽車的開關(guān)和 電氣/電子器件的材料。無定形樹脂例如聚碳酸醋樹脂為高透明的且尺寸穩(wěn)定。由于該些 優(yōu)勢，無定形樹脂用于很多領(lǐng)域，包括光學(xué)材料和家用電器的部件、0A裝置和汽車。
[0003] 電氣/電子器件應(yīng)該防止由于靜電和灰塵污染引起的故障。出于該個(gè)目的，電氣 /電子器件需要具有抗靜電性能。汽車燃料累部件也需要具有除了現(xiàn)有物理性能之外的高 電導(dǎo)率。
[0004] 添加劑例如表面活性劑、金屬粉末和金屬纖維通常用于使樹脂具有導(dǎo)電性。然而， 該些添加劑常常使最終模制品的物理性能（例如電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度）劣化。
[0005] 導(dǎo)電炭黑是使樹脂具有導(dǎo)電性的常用材料。然而，需要加入大量的炭黑來實(shí)現(xiàn)高 電導(dǎo)率并且在烙融混合的過程中炭黑的結(jié)構(gòu)也易分解。得到的樹脂會(huì)具有差的加工性能， 并且熱穩(wěn)定性W及其他物理性能會(huì)受到巨大破壞。
[0006] 在該些情況下，為了實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率提高同時(shí)減少導(dǎo)電填充劑的使用，集中進(jìn)行包含 碳納米管代替導(dǎo)電炭黑的樹脂復(fù)合材料的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 技術(shù)問題
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有提高的電導(dǎo)率的復(fù)合材料。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是提供一種模制品，該模制品的電導(dǎo)率被提高且不損害它的機(jī) 械強(qiáng)度。
[0010] 技術(shù)方案
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種復(fù)合材料，該復(fù)合材料通過加工包含熱塑性樹 月旨、束型碳納米管和碳質(zhì)導(dǎo)電劑的樹脂組合物制備而成，其中，在加工之前所述碳納米管的 Id/\為1.0W下，并且，在加工之后復(fù)合材料中的碳納米管的平均長度為相對于加工之前 碳納米管的平均長度的40%至99%，Id/I。指在碳納米管的拉曼光譜中D峰的強(qiáng)度與G峰 的強(qiáng)度的比值。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包含所述復(fù)合材料的模制品。
[0013] 有益效果
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的復(fù)合材料通過擠出包含碳納米管和碳質(zhì)導(dǎo)電劑的熱塑 性樹脂組合物制備而成。作為原料的碳納米管的Id/\低，表明它們在擠出過程中經(jīng)過較少 的裂解。因此，在作為終產(chǎn)品的復(fù)合材料中存在的碳納米管的平均長度更小程度地降低，導(dǎo) 致復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高，同時(shí)熱塑性樹脂的物理性能的變化最小化。另外，碳質(zhì)導(dǎo)電劑的 添加有助于進(jìn)一步提高電導(dǎo)率。因此，復(fù)合材料適合用于要求具有高電導(dǎo)率的各種部件。
【具體實(shí)施方式】
[0015]現(xiàn)在將詳細(xì)地描述本發(fā)明。應(yīng)該指出，本說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語和單 詞不應(yīng)該理解為限于常規(guī)或詞匯意義，而是應(yīng)該基于發(fā)明人能適當(dāng)定義術(shù)語的概念W更好 地描述他自己的發(fā)明的原則，理解為與本發(fā)明的技術(shù)觀點(diǎn)對應(yīng)的含義和概念。
[0016]本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種復(fù)合材料，該復(fù)合材料通過加工包含熱塑性樹脂、束 型碳納米管和碳質(zhì)導(dǎo)電劑的樹脂組合物制備而成，其中，在加工之前碳納米管的Id/\為 1. 0W下并且在加工之后余量長度的比值為40%至99%。
[0017]余量長度的比值可W通過公式1來定義：
[0018]余量長度的比值（％ )=(在加工之后復(fù)合材料中存在的碳納米管的平均長度/ 在加工之前作為原料的碳納米管的平均長度）X100 (1)
[0019] Id/\表示在加工之前碳納米管的拉曼光譜中D峰值帶）的強(qiáng)度與G峰佑帶）的 強(qiáng)度的比值。通常，碳納米管的拉曼光譜具有與石墨SP2鍵相對應(yīng)的兩個(gè)主要的可辨識峰， 良P，在1，100至1，400cm-i處的較高峰和在1，500至1，700cm-i處的較低峰。中屯、在1，300cm-i左右，例如，在約1，350cnTi處的第一峰值帶）表明存在碳顆粒并且反映出不完整且無序的 壁的特征。中屯、在1，eOOcnTi左右，例如，在約1，580cnTi處的第二峰佑帶）表明形成連續(xù) 的碳-碳（C-C)鍵并且反映出碳納米管的結(jié)晶石墨層的特征。波長值會(huì)隨著用于光譜測量 的激光的波長略有變化。
[0020] 碳納米管的無序或缺陷的程度可W通過D帶峰與G帶峰的強(qiáng)度比值（Id/I。）來評 價(jià)。隨著比值1。八。增大，碳納米管可W評價(jià)為高無序或缺陷。隨著比值（Id/I。）減小，碳納 米管可W評價(jià)為具有較少缺陷并且具有高結(jié)晶度。此處使用的術(shù)語"缺陷"指當(dāng)作為雜質(zhì) 的不必要原子構(gòu)成碳納米管的碳-碳鍵、必要的碳原子數(shù)不足，或發(fā)生錯(cuò)排的時(shí)候，形成的 碳納米管的排列中包含瑕疵，例如，晶格缺陷。當(dāng)向其施加外部刺激時(shí)，碳納米管容易在缺 陷部分?jǐn)嗔选?br>[0021] 每個(gè)D帶峰和G帶峰的強(qiáng)度可從例如，定義為在拉曼光譜中，在帶的X軸中屯、上 方的峰的高度或者在峰下方的面積。為了便于測量，可W采用在相應(yīng)帶的X軸中屯、上方的 峰的高度。
[0022] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在加工之前作為原料的碳納米管的可W限于1. 0W下， 例如，0.01至0.99的范圍內(nèi)。在該個(gè)范圍內(nèi)，在加工后作為終產(chǎn)品的復(fù)合材料中存在的碳 納米管的平均長度可W更小程度地降低。碳納米管的余量平均長度的比值可W用上面的公 式1表示。
[0023]余量長度的比值越高，為了提高熱塑性樹脂的電導(dǎo)率所消耗的碳納米管就越少， 該有利于維持樹脂的物理性能。
[0024]在本發(fā)明中，在加工之前作為原料添加到熱塑性樹脂中的碳納米管的值限 于上面規(guī)定的范圍。通過選擇使用具有較少缺陷和高結(jié)晶度的碳納米管，能夠減少在加工 過程中例如擠出時(shí)碳納米管的斷裂量。在加工過程中由外部刺激引起的碳納米管的斷裂量 的降低導(dǎo)致碳納米管在加工后的余量長度的比值增大。
[0025] 具有增大的余量長度比值的碳納米管的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于提高了熱塑性樹脂的電導(dǎo) 率。碳納米管在熱塑性樹脂的基質(zhì)內(nèi)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，在終產(chǎn)品中剩余的碳納米管越 長，越有利于形成網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)絡(luò)之間的接觸頻率降低。該導(dǎo)致接觸電阻降低，從而有助于 進(jìn)一步提高電導(dǎo)率。
[0026] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，碳納米管的余量長度的比值可W在40%至99%，例如40%至 90%的范圍內(nèi)。在該個(gè)范圍內(nèi)，作為終產(chǎn)品的復(fù)合材料的電導(dǎo)率能夠提高，同時(shí)在機(jī)械性能 不劣化的情況下維持復(fù)合材料的加工性能。
[0027] 碳納米管（CNTs)是包含排列為六邊形的碳原子的管狀材料并且直徑為約1至 lOOnm。根據(jù)其固有手性，碳納米管表現(xiàn)為絕緣、導(dǎo)電或半導(dǎo)電性能。碳納米管的結(jié)構(gòu)為碳 原子互相強(qiáng)烈共價(jià)鍵合。由于該個(gè)結(jié)構(gòu)，碳納米管的拉伸強(qiáng)度約是鋼鐵拉伸強(qiáng)度的100倍， 柔初性和彈性高，并且化學(xué)穩(wěn)定。
[0028] 碳納米管分為S種類型：由單層構(gòu)成且直徑為約Inm的單壁碳納米管（SWCNTs); 由雙層構(gòu)成且直徑為約1.4至約3皿的雙壁碳納米管值WCNTs) 及由S層或W上的層構(gòu) 成且直徑為約5至約lOOnm的多壁碳納米管（MWCNTs)。所有類型的碳納米管可W不加具體 限制地用于樹脂組合物中。
[0029] 除非另外提及，此處使用的術(shù)語"束型碳納米管"指其內(nèi)的碳納米管平行排列或纏 結(jié)W形成束或捆（rope)的碳納米管類型，并且術(shù)語"非束或纏結(jié)型碳納米管"指不具有具 體形狀例如束或捆式形狀的碳納米管類型。
[0030] 束型碳納米管的形狀基本上為其中的碳納米線結(jié)合在一起形成束。該些線的形狀 可W為直線或彎曲或它們的結(jié)合。束型碳納米管的形狀也可W為直線或彎曲或它們的結(jié) 合。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，束型碳納米管的厚度可W為50nm至100ym。
[0031] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，碳納米線的平均直徑可W為，例如，5nm至25nm。
[0032] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，束型碳納米管的平均長度可W為約1ymW上，例如，在1〇3至 l〇6nm的范圍內(nèi)。在該個(gè)范圍內(nèi)，束型碳納米管的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于提高熱塑性樹脂復(fù)合材料的 電導(dǎo)率。碳納米管具有在熱塑性樹脂復(fù)合材料的基質(zhì)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，較長的碳