HDPE－碳纤维－氧化锌晶须导电复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供HDPE－碳纤维－氧化锌晶须导电复合材料配方及其制备方法。将高密度聚乙烯、碳纤维、氧化锌晶须和偶联剂经过高分子材料加工设备熔融混炼后模压制得所述导电复合材料，高密度聚乙烯、碳纤维和氧化锌晶须占该三种物质总重量的百分比为：74％～94％的高密度聚乙烯，6％～26％的碳纤维和氧化锌晶须；偶联剂为高密度聚乙烯、碳纤维和氧化锌晶须总重量的1％～3％。本发明的材料制备方便简单，成本低，导电性能好，可以广泛应用于过流保护元件，自控温加热元器件等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子导电复合材料技术领域，具体涉及HDPE-碳纤维-氧化锌晶须导电复合材料及其制备方法。

背景技术

导电高分子复合材料既具有导电功能，同时也具有类似于高分子材料的优异的力学和加工性能，因此得到广泛的应用。目前高分子导电复合材料主要是以价格低廉，原料来源广泛的碳黑为导电填料，但碳黑易于附聚和氧化，并且较高的填充量和碳黑的特殊结构使得此类复合材料存在着寿命短、稳定性差和力学性能不佳等缺点。

近年来，由各种新型导电填料制备的导电复合材料已经越来越引起人们的重视，具有一维结构的碳纤维和具有四针状空间立体结构的氧化锌晶须因其优良的导电性能和力学性能，受到特别的关注。与传统的导电填料碳黑或者金属粉等相比，使用碳纤维和氧化锌晶须作为导电填料，能够较容易地形成空间导电网络结构，具有添加量少、电阻率低、材料力学性能好等显著的优点，但在实际工业生产中，碳纤维和氧化锌晶须因其价格昂贵而成为限制其广泛应用的最主要因素。因此，如何在满足复合材料电性能要求的前提下，优化碳纤维和氧化锌晶须之间的用量，提高其利用效率，发挥导电填料之间的协同作用，起到既可以满足电性能的要求同时又不损失力学性能的作用，在工业上具有重要的价值和意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供HDPE-碳纤维-氧化锌晶须导电复合材料及其制备方法，该方法通过优化导电填料之间的配比，发挥导电填料之间的协同作用，既可以提高其电性能，又不损失力学性能，同时降低导电复合材料的制备成本。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

HDPE-碳纤维-氧化锌晶须导电复合材料的制备方法，该方法将高密度聚乙烯、碳纤维、氧化锌晶须和偶联剂经过高分子材料加工设备熔融混炼后模压而制得所述HDPE-碳纤维-氧化锌晶须导电复合材料，高密度聚乙烯、碳纤维和氧化锌晶须占该三种物质总重量的百分比为：74％～94％的高密度聚乙烯，6％～26％的碳纤维和氧化锌晶须；偶联剂为高密度聚乙烯、碳纤维和氧化锌晶须总重量的1％～3％。

上述的制备方法中，所述碳纤维为短切碳纤维，碳纤维长度为0.5～4mm，直径为1～10μm。

上述的制备方法中，所述碳纤维和氧化锌晶须的质量配比为1∶3～10∶3。

上述的制备方法中，熔融混炼的温度为145～165℃，时间为5～15min，转子转速为30～50r/min。

上述的制备方法中，模压温度为150～170℃，时间为5～20min，压力为4MPa～16MPa。

上述的制备方法中，所述偶联剂为钛酸酯、硬脂酸或硅烷。

上述的制备方法中，所述高分子材料加工设备为开炼机、密炼机或平板硫化机。

由上述的制备方法制得的HDPE-碳纤维-氧化锌晶须导电复合材料。

与传统的导电复合材料相比，本发明通过优化高密度聚乙烯、碳纤维、氧化锌晶须和偶联剂的配比，利用碳纤维和氧化锌晶须之间的协同作用，可以实现如下优点和效果：(1)碳纤维和氧化锌晶须之间相互搭接，提高复合材料的导电率；(2)导电填料之间起到协同分散的目的，降低导电填料的使用量，节约材料的制备成本；(3)不需添加碳黑或者石墨等无机粉料，而碳纤维的纤维状结构和氧化锌晶须的四针状空间立体结构以及它们优异的力学性能，有利于提高复合材料的力学性能。

总的来说，本发明可以在满足导电复合材料电性能要求的前提下保证材料的力学性能，同时降低导电复合材料的制备成本。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的具体实施作进一步地详细说明，但本发明的技术范围不限于这些。

实施例1

取高密度聚乙烯36.8g，碳纤维0.8g，氧化锌晶须2.4g及钛酸酯0.8g加入转矩流变仪中进行混炼，混炼温度为155℃，混炼时间8min，转矩流变仪转速为40r/min，然后将混炼好的材料在平板硫化机上模压成型，模压温度为160℃，模压时间为10min，模压压力为10MPa，测量样品的室温电阻率，结果如表1所示。所述碳纤维为短切碳纤维，碳纤维长度为0.5～4mm，直径为1～10μm。

实施例2～9

实施方法与实施例1相同，改变各组分的配比，结果如表1所示。

对比实施例1

实施方法与实施例1相同，单独使用碳纤维作为填料，测得样品的室温电阻率，结果如表1所示。

对比实施例2～10，实施方法与实施例1相同，单独使用碳纤维，改变HDPE与碳纤维的配比，结果如表1所示。表中的百分比为质量百分比，HDPE、碳纤维、氧化锌晶须的百分比分别为各自占该三种物质的总质量的百分比，而钛酸酯的百分比为相对于该三种物质总质量的百分比。

由上述表1的结果可知，加入氧化锌晶须后可以有效降低复合体系的电阻率。

测试方法

样品电阻大于108Ω时，按照GB/T10064-2006和GB/T1410-2006，用ZC-36型高阻计测量，为了减小测试时的接触电阻，样品表面粘上导电铝箔；电阻小于108Ω时，按照GB/T15662-1995和GB/T15738-1995，采用四电极法，把样品裁成70mm×10mm×2mm的长条，用UT58C型数字万用表测电压，UT58A型数字万用表测电流，然后计算电阻率。

表1