专利名称：：一种具有高导电性能的聚酰胺/氧化石墨复合材料及其制备方法
技术领域：
：本发明属于导电高分子复合材料领域，具体涉及一种由聚酰胺/氧化石墨组成的具有高导电性能的聚酰胺复合材料及其制备方法。
背景技术：
：聚酰胺是一种性能优异应用广泛的热塑性工程塑料。但由于其电导率在10—^/cm以下，制品的抗静电性能差，限制了其应用范围。电导率的提高通常是通过加入一定量的导电材料，由导电填料连接成导电通路，从而使聚合物材料具有一定的导电性。已有技术中石墨类导电填料多为天然石墨、膨胀石墨等，受到填料尺寸与团聚情况的影响，体系中需要高填料量才能形成导电网络，逾渗阈值高，对复合材料的强度和韧性损害较大，并导致了导电复合材料加工性能的下降。天然石墨具有层状的有序结构，由于石墨片层间具有范德华力，使其层间不易发生剥离。因此未经过处理的天然石墨在聚合物中很难实现单层状态的分布。目前基于石墨的导电复合材料制备方法主要有溶液法、熔融法、原位聚合法。溶液法先将聚合物溶于溶剂中，再将石墨分散于所得的聚合物溶液中，然后脱除溶剂即得聚合物/石墨复合材料。该方法的缺点在于为了充分溶解聚合物并充分分散石墨，溶剂的用量往往很大，同时溶剂的彻底脱除难度较大。有些聚合物的溶剂特殊，且不易获得。这些都限制了溶液法的应用。熔融法则是将石墨直接与聚合物熔体混合，通过机械剪切力使物料混合均匀。该方法的问题在于聚合物熔体的粘度很高，石墨很难在聚合物中均匀分散，容易发生团聚，导致逾渗阈值偏高。将石墨分散在聚酰胺单体中，通过原位聚合可制备得到聚酰胺/石墨导电复合材料。如果石墨在聚酰胺基体中以纳米级石墨晶片分散，则该聚酰胺/石墨导电复合材料的导电逾渗阈值低，即在石墨用量低的情况下便可在聚酰胺/石墨导电复合材料中形成立体的导电网络，并表现出优异的导电性能，形成具有高导电性能的聚酰胺/纳米石墨复合材料。例如，中国专利ZL99108082.3中将膨胀石墨、己内酰胺单体、引发剂的混合物经适当方法处理后，在氮气保护下进行原位聚合，当石墨添加量为3机％时，所制备的尼龙6/石墨纳米导电复合材料体积电导率达到10—4S/cm以上。陈国华等通过超声将膨胀石墨制成游离的石墨纳米薄片，再与聚合物单体进行原位聚合，制备出的尼龙6/石墨纳米导电复合材料的逾渗域值可达0.74vol%，当石墨含量为1.3vol^时，复合材料的电阻率达到10—Vcm(WenguiWeng，etal.FabricationandcharacterizationofNylon6/foliatedgraphiteelectricallyconductingnanocomposite.JournalofPolymerScience:PartB:PolymerPhysics,2004,42:2844-2856)。一方面膨胀石墨层间剥离不充分，外形蓬松，层间明显有粘连，另一方面膨胀石墨在外力作用下容易发生塌陷，已膨胀开的纳米级石墨片间将相互粘合，比表面积大大降低。因此限制了膨胀石墨在提高石墨复合材料的导电性领域的应用。
发明内容本发明的目的是提供一种基于石墨的导电聚合物复合材料，该材料具备了石墨添加量低和导电性高的特点，并且具备良好的力学性能与加工性能。本发明的另一个目的是提供一种上述导电聚合物/氧化石墨复合材料的制备方法。本发明的目的可以通过以下措施达到一种具有高导电性能的聚酰胺/氧化石墨复合材料，该复合材料由如下重量份的原料组成氧化石墨0.255聚酰胺单体成分100催化剂或引发剂010分散介质0300。该复合材料最终由聚酰胺基体和纳米石墨组成，通过原位聚合制得。其中氧化石墨的原料为粒径介于103106目的天然鳞片石墨，将其进行氧化剥离，所得到的氧化石墨片厚度120纳米，径厚比为1002000。其中聚酰胺单体成分为己内酰胺、氨基己酸、尼龙66盐、11-氨基十一酸或"-十二内酰胺。催化剂或引发剂为氨基己酸、十二氨基酸、己二胺、磷酸、有机磷酸或有机磺酸。分散介质为水或乙醇。一种具有高导电性能的聚酰胺/氧化石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤(1)制备氧化石墨以天然鳞片石墨为原料，按照Hummer法制备氧化石墨。Hummer法参见J.Am.Chem.Soc.1958，80:1339。(2)分散氧化石墨，形成预混物将各原料(0.255质量份氧化石墨、100质量份聚酰胺单体或原料、010质量份催化剂或引发剂、0300质量份分散介质)混合，并在2(TC85。C(优选7085。C)超声波分散0.56小时形成预混物。本发明的超声波处理可使用常规的超声设备，优选超声波频率为25120kHz。预混物的组成中，氧化石墨与聚合物单体成分的质量比优选为0.5/1005/100。氧化石墨与聚合物熔融单体直接混合，再将混合液进行超声波处理，超声波处理时间为O.56小时，最佳处理时间为13小时。预混物中可以选用分散介质。分散介质的存在有利于氧化石墨在预混物中的充分均匀分散。其中，分散介质选自水、乙醇。当使用分散介质时，先将氧化石墨分散于液体介质中；氧化石墨分散液超声处理时间为0.56小时，最佳处理时间为13小时。(3)开环与预聚合，形成预聚物。(4)原位聚合在聚酰胺发生聚合的加热过程中，氧化石墨发生了热还原，恢复了导电性。在制备该聚酰胺/纳米石墨复合材料的聚合阶段中，需要根据氧化石墨的添加量调节聚合时间以保证聚合的充分进行。(5)后处理在氮气环境下出料，经过造粒和干燥后即得产品。对于某些尼龙，例如尼龙6、尼龙ll，在聚合后会有部分单体和低聚物残留在聚合物中，需要通过萃取的方法除去单体。具体操作为将聚合物粒料在IO(TC水中煮沸13小时。制备方法中的开环与预聚合步骤可以为(l)将预混物经过真空干燥后，在17(TC23(TC和氮气保护下预聚合l4小时；或者(2)将预混物在22(TC25CTC和1.01.8MPa氮气压力下预聚合1.53小时；或者(3)将预混物在19(TC20(TC和氮气保护下预聚合24小时；或者(4)将预混物在1小时内升温至27029(TC(优选28(TC)，并在压力为1.62.2MPa(优选1.9MPa)下保持810小时(优选9小时)。制备方法中的原位聚合步骤可以为(l)将预聚物在24(TC26(TC和氮气保护条件下聚合412小时，在聚合步骤结束前的14小时进行减压脱除小分子操作，体系内部保持真空；或者(2)将预聚物加热至250277"C后逐渐卸压，保持温度和真空条件0.51小时；或者(3)将预聚物在除去小分子产物后，在14016(TC条件下聚合1417小时；或者(4)预聚物在0.5小时中压力逐渐降至大气压，温度降至240260°C(优选250。C)，氮气环境，并保持0.21小时(优选O.5小时)。采用上述方案后，本发明的聚酰胺/氧化石墨导电复合材料中氧化石墨具有高的径厚比，且经过聚合过程中发生的热还原反应，使石墨的共轭导电结构得到恢复，因此使用较少的氧化石墨就能在聚合物中形成有效的导电网络。而低的氧化石墨导电填料含量可使导电聚合物材料保持聚合物自身的良好力学性能。本发明通过氧化反应在天然石墨表面引入大量含氧基团，形成易于剥离的氧化石墨，其碳氧比可达80/2095/5。同时在本发明的制备方法中，氧化石墨在聚酰胺进行原位聚合的高温环境里发生了热还原反应，其还原后的碳氧比可达50/5091/9。这种聚酰胺/氧化石墨复合材料中的石墨相由氧化石墨经还原而恢复了高导电性。当石墨含量为1.5wtX时，聚酰胺/氧化石墨复合材料的电导率可达8X10—3S/cm。对比传统的天然石墨、膨胀石墨导电复合材料，具有低填料量高电导率的优异性质。本发明中使用的经氧化处理的氧化石墨片的厚度为纳米级，直径为微米级，具有高的径厚比。而被氧化反应破坏的共轭导电结构在高温聚合过程中得到极大的还原，因此可大大降低导电填料的用量，降低体系的逾渗阈值，对材料的力学性能影响小。而且氧化石墨的原料，即天然石墨，在我国矿藏丰富，价格便宜。此外，氧化石墨与膨胀石墨相比具有以下优点石墨片层剥离更充分，有效的比表面积更高，在聚合物基体中分散更均匀，反应条件不需高温高压，反应设备更简单。因此氧化石墨作为一种制备导电复合材料的导电相原料将会极具竞争力。具体实施例方式本发明中所涉及的具体化学药品天然石墨上海一帆石墨有限公司；高锰酸钾(分析纯)天津博迪化工有限公司；硝酸钠(分析纯)上海青析化工科技有限公司；过氧化氢30%(分析纯)，浓硫酸(分析纯)，己内酰胺(化学纯)，氨基己酸(分析纯)，11-氨基十一酸(分析纯)，12-氨基十二酸(分析纯)，十二内酰胺(分析纯)，己二胺(分析纯)，磷酸(分析纯)，乙醇(分析纯):国药集团化学试剂有限公司；尼龙66盐中国神马集团有限责任公司。氧化石墨的制备方法为取400质量份的98%浓硫酸置于冰浴中，加入10质量份天然鳞片石墨、5质量份硝酸钠、30质量份高锰酸钾，此过程中保持不断搅拌1小时，并防止混合液温度超过20°C。移除冰浴，将混合液置于35"C水浴中恒温4小时。用500质量份去离子水稀释，使混合液在9(TC维持温度15分钟。用去离子900质量份水稀释，加入60质量份过氧化氢并趁热过滤。用去离子水洗至无SO/—离子即可。其中作为原料的天然鳞片石墨粒径介于103106目。经过氧化剥离后所得到的氧化石墨片厚度120纳米，径厚比为1002000。将氧化石墨0.255质量份、己内酰胺100质量份、6-氨基己酸6质量份混合，经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，即得到预混物。将预混物在真空度0.lMPa条件下干燥2小时，经过18(TC和氮气环境下的预聚合2小时后，在25(TC和氮气环境下聚合8小时，在氮气环境下出料，经过造粒、萃取和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表l中。表l不使用分散介质的复合材料电导率实施例石墨含量(质量份)体积电导率(S/cm)0.251XIO一"1.03X10—711.55X10—43.05X10—35.07X10—2对比例1将市售的天然鳞片石墨(12000目)1.5质量份、己内酰胺100质量份、6-氨基己酸6质量份混合，在8(TC条件下超声波处理3小时。然后移至反应9管中，按照实施例1相同的工艺，进行聚合。所得产物的体积电导率为4X10—1S/cm。将氧化石墨1.5质量份、己内酰胺100质量份、6-氨基己酸6质量份混合，分散介质0300质量份。经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，即得到预混物。将预混物在真空度0.lMPa条件下干燥2小时，经过180。C和氮气环境下的预聚合2小时后，在25(TC和氮气环境下聚合8小时，在氮气环境下出料，经过造粒、萃取和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表2中。表2使用不同分散介质的复合材料电导率<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例3将氧化石墨1.5质量份、己内酰胺100质量份、6-氨基己酸6质量份混合。经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，即得到预混物。将预混物在真空度0.lMPa条件下干燥2小时，经过21(TC和氮气环境下的预聚合2小时后，在25(TC和氮气环境下聚合8小时。在聚合步骤结束前的14小时进行减压脱除小分子操作，体系内部保持真空度0.lMPa。在氮气环境下出料，经过造粒、萃取和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表3中。表3不同真空时间的复合材料电导率<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>将氧化石墨0.255质量份、尼龙66盐100质量份、己二胺3质量份、水150质量份混合。经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，得到预混物。预混物在227X:和1.72MPa氮气压力下预聚合2.5小时。预聚物加热至27rC后逐渐卸压，在272'C和真空度0.lMPa条件下保持1小时，并除去反应过程中形成并保留在熔体中的水蒸汽。在氮气环境下出料，在水浴中冷却，经过造粒和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表4中。表4不同石墨含量的复合材料电导率<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>将氧化石墨0.55质量份、11-氨基十一酸100质量份、磷酸1质量份、水300质量份。经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，得到预混物。预混物经过充分干燥后在19(TC和氮气保护下预聚合3小时。预聚物在真空度0.IMPa条件下处理1小时，以除去小分子产物，然后在15(TC条件下聚合15小时。在氮气环境下出料，经过造粒、萃取和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表5中。表5不同石墨含量的复合材料电导率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>将氧化石墨0.55质量份、"-十二内酰胺100质量份、乙醇300质量份混合。经过8(TC条件下的超声波振荡处理3小时，得到预混物。预混物经过充分脱去溶剂后，加入己二酸0.2质量份，在l小时内升温至28(TC，压力为1.9MPa，保持9小时。预聚物在0.5小时中压力逐渐降至大气压，温度降至25(TC，氮气环境，并保持0.5小时。在氮气环境下出料，经过造粒和干燥后即得产品。用高阻计或四电极法测定产品的导电性能，所得产物的体积电导率列于表5中。表6不同石墨含量的复合材料电导率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1、一种具有高导电性能的聚酰胺/氧化石墨复合材料，其特征在于该复合材料由如下重量份的原料组成氧化石墨0.25～5聚酰胺单体成分100催化剂或引发剂0～10分散介质0～300。2、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的氧化石墨的径厚比为1002000。3、根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于所述的氧化石墨由天然鳞片石墨经氧化剥离后得到。4、根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于所述的天然鳞片石墨的粒径为103106目。5、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的聚酰胺单体成分为己内酰胺、氨基己酸、尼龙66盐、ll-氨基十一酸或"-十二内酰胺。6、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的催化剂或引发剂为氨基己酸、十二氨基酸、己二胺或磷酸。7、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的分散介质为水或乙醇。8、一种具有高导电性能的聚酰胺/氧化石墨复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)制备氧化石墨以天然鳞片石墨为原料，制备氧化石墨；(2)分散氧化石墨，形成预混物将各原料混合，并在2(TC85'C下超声波分散0.56小时形成预混物；(3)开环与预聚合，形成预聚物(4)原位聚合在聚酰胺发生聚合的加热过程中，氧化石墨发生热还原，并恢复导电性；(5)后处理在氮气环境下出料，经过造粒、萃取和干燥后即得产品。9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的开环与预聚合步骤为(1)将预混物经过真空干燥后，在17(TC23(TC和氮气保护下预聚合14小时；或(2)将预混物在220。C25(TC和1.01.8MPa氮气压力下预聚合1.53小时；或(3)将预混物在190'C20(TC和氮气保护下预聚合24小时；或(4)将预混物在1小时内升温至27029(TC，并在压力为1.62.2MPa下保持810小时。10、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的原位聚合步骤为(l)将预聚物在240。C260。C和氮气保护条件下聚合412小时，并在聚合步骤结束前的14小时进行减压脱除小分子操作，体系内部保持真空;或(2)将预聚物加热至250277"C后逐渐卸压，保持温度和真空条件0.51小时；或(3)将预聚物除去小分子产物后，在14016(TC条件下聚合1417小时；或(4)将预聚物在0.5小时内压力逐渐降至大气压，温度降至240260°C，在氮气环境下保持0.21小时。全文摘要本发明公开了一种具有高导电性能的聚酰胺/石墨复合材料及其制备方法。该复合材料由聚酰胺基体和纳米石墨组成，通过原位聚合制得。本发明纳米石墨具有高的径厚比，使用较少的纳米石墨就能在聚合物中形成有效的导电网络。而低的纳米石墨导电填料含量，可使导电聚合物材料保持原来的良好力学性能。本发明的具有高导电性能的聚酰胺/石墨复合材料的体积电导率可达8×10<sup>-3</sup>S/cm，对比传统的天然石墨、膨胀石墨导电复合材料具有低填料量高电导率的优异性质。文档编号C08L77/00GK101608061SQ20081012264公开日2009年12月23日申请日期2008年6月17日优先权日2008年6月17日发明者刚吴,宁杜,赵超越,桥陈申请人:东丽纤维研究所(中国)有限公司