一种轻量化导电隔热复合材料及其制备方法、系统与流程

本发明涉及一种轻量化导电隔热复合材料及其制备方法，特别涉及一种以多孔塑料为基体的轻量化导电隔热复合材料以及一种结合发泡、涂覆与蒸汽模塑的复合材料制备方法，属于聚合物或塑料基复合材料技术领域。

背景技术：

以低碳、低消耗、高效节能、绿色环保等为主要特征的可持续发展已成为全球共同关注的重大问题。兼具轻量化、导电、隔热特性的复合材料及其产品不仅有利于节约材料，而且有利于节能减排，是一种典型的绿色环保材料，在航空航天、轨道交通、现代建筑、物流运输、信息电子等工业领域具有重要应用价值。此外，轻量化导电隔热复合材料还具有优良的电磁屏蔽性能，能够有效防范电磁干扰对电子仪器设备的严重干扰，避免电磁辐射对人民身体健康的危害，防止信息泄露和保障信息安全。

当前，聚合物基导电复合材料是一种兼具轻量化、隔热、导电等特性的复合材料，其制备方法通常是采用共混、浸渍等手段将导电填料与聚合基体复合在一起，并配合热模压、注塑或挤出等成型工艺，制备出具有一定几何形状的产品。这种复合材料及其制备方法的主要缺点包括：(1)为了达到导电的目的，通常需要添加很高含量的导电填料；(2)大量导电填料的加入显著增加了聚合物基体的粘度，给后期的成形加工带来很多困难；(3)常规聚合物基导电复合材料的密度较高、隔热性能较差。(4)常规聚合物基导电复合材料的电磁屏蔽主要以复合材料表面的反射为主，存在电磁辐射二次污染的问题。

中国发明专利cn101240144b公开了一种用于玻璃表面的透明导电隔热纳米复合涂料，该涂料由高分子树脂、纳米锌镓氧化物粉体、涂料助剂和稀释剂等组成。该涂料具有透明度好、附着力强、导电性好、隔红外线能力强等特点，特别适合于建筑玻璃和汽车玻璃。该导电隔热复合材料与本发明涉及的轻量化隔热导电复合材料无论是在材料结构组成与性能方面还是在制备方法方面都截然不同。

中国发明专利cn101239788b公开了一种透明导电隔热玻璃。该玻璃由玻璃基板和透明导电隔热涂层组成，透明导电隔热涂层含有纳米锌镓氧化物，图层的厚度为3～5μm。该发明的玻璃在具有良好透明性的同时还具有良好的导电性和隔热性。该透明导电隔热玻璃与本发明涉及的轻量化隔热导电复合材料无论是在材料结构组成与物性方面还是在制备方法方面都截然不同。

中国专利cn101440192b公开了一种兼具导电和隔热功能的复合材料。本发明涉及的导电/隔热复合材料体积电阻率不大于10ω·cm，由热固性酚醛树脂、碳纳米管、中空纤维和表面活性剂组成，通过纳米管分散、胶液制备、纤维预浸、固化成型得到。该导电隔热复合材料与本发明涉及的轻量化隔热导电复合材料无论是在材料结构组成与性能方面还是在制备方法方面都截然不同。

中国发明专利cn104327579b公开了一种单分散导电隔热介孔材料及其制备方法和应用，采用溶剂热方法制得一种隔热氧化锡锑前驱体，将其高温煅烧后制备了单分散氧化锡锑导电隔热材料。该导电隔热复合材料与本发明涉及的轻量化隔热导电复合材料无论是在材料结构组成与性能方面还是在制备方法方面都截然不同。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种兼具轻量化、导电和隔热属性的先进复合材料及其制备方法，以满足航空航天、航空航天、轨道交通、现代建筑、物流运输、信息电子等工业领域对轻量化高效隔热和电磁屏蔽材料的需求。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻量化导电隔热复合材料，包括多孔塑料基体及嵌入基体内的连续网状导电材料组成。塑料基体密度小以及多孔的结构特性赋予了该复合材料的轻质属性，塑料基体热导率低以及多孔的结构特性赋予了该复合材料的隔热属性，嵌入在多孔塑料基体内的连续网状导电材料赋予了复合材料的导电属性。

作为一种优选，所述的多孔塑料基体为聚丙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、尼龙、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮，硅橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性弹性体、聚四氟乙烯的一种或两种及以上的混合物。

作为一种优选，在所述的多孔塑料基体内中混入有改善塑料发泡性能的添加剂。

作为一种优选，所述导电材料为炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨、石墨烯、银粉、铜粉的一种或者两种及以上的混合物。

本发明还提供了一种轻量化导电隔热复合材料的制备方法，包含如下步骤：

步骤(1)，制备多孔塑料粒子；利用珠粒发泡工艺或挤出发泡工艺，将未发泡的实心塑料颗粒转变为多孔塑料粒子；

步骤(2)，在多孔塑料粒子表面涂覆导电材料。将经步骤(1)制备的多孔塑料粒子浸入粉末状导电材料悬浮液，然后将多孔塑料粒子从溶液中取出并晾干，以在多孔塑料粒子的表面涂覆一层导电材料；

步骤(3)，粘结多孔塑料粒子；将多孔塑料粒子的外表面加热熔融，使多孔塑料粒子粘结成具有一定几何形状的整体，最终得到以多孔塑料为基体其内嵌入三维网状导电材料的轻量化导电隔热材料。

作为一种优选，步骤(1)中，为了改善塑料颗粒的发泡性能，可以通过共混改性的方法，在所述塑料基体中混入一定量的滑石粉、蒙脱土、黏土、扩链接、聚四氟乙烯、山梨糖醇等添加剂。

作为一种优选，步骤(1)中，发泡工艺中使用的发泡剂为物理发泡剂，例如氮气或二氧化碳或氮气与二氧化碳的混合物。

作为一种优选，步骤(1)中，为了保证获得细腻均匀的泡孔结构，保证泡孔平均尺寸小于500μm,泡孔数量密度高于1×10⁵个/cm³,发泡工艺中的发泡压力为2～50mpa，发泡温度为80～200℃。

作为一种优选，步骤(1)中，未发泡实心塑料颗粒的等效直径为0.1～5mm。

作为一种优选，步骤(1)中，多孔塑料粒子的几何形状为球形或椭球形，其等效直径为0.1～8mm、密度为0.01～1.0g/cm³。

作为一种优选，步骤(2)中，粉末状导电材料宜选用具有较高导电性的碳材料或金属材料，如炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨、石墨烯、银粉、铜粉等的一种或者两种及以上的混合物。

作为一种优选，步骤(2)中，所述粉末状导电材料在悬浮液中的含量为0.1～20wt％。

作为一种优选，步骤(2)中，所述在多孔塑料粒子的表面涂覆的一层导电材料的平均厚度为0.001～10μm。

作为一种优选，步骤(3)中，所述高温高压水蒸气的温度为60～180℃、压力为0.1～2mpa。

作为一种优选，步骤(3)中，所述利用高温高压水蒸气的加热时间为10～300s。

作为一种优选，步骤(3)中，所述轻量化导电隔热材料的密度为0.05～1.0g/cm³、热导率为0.025～0.1w/(m·k)、电导率为1.0×10^-12～100s/m。

作为一种优选，步骤3具体过程是：

将经步骤(2)处理的一定量的多孔塑料粒子引入蒸汽模塑设备上的模具型腔之中，然后向模具型腔中通入高温高压水蒸气，将多孔塑料粒子的外表面加热熔融，进而将多孔塑料粒子粘结成具有一定几何形状的整体，最终得到以多孔塑料为基体其内嵌入三维网状导电材料的轻量化导电隔热材料。

本发明还提供了一种制备权利要求1所述的轻量化导电隔热复合材料的制备系统，包括：

发泡装置，用于将实心的塑料粒子发泡成多孔塑料粒子；

涂覆装置，用于将导电材料涂覆在所述的多孔塑料粒子上；

塑模装置，用于将涂覆有导电材料的多孔塑料粒子外表面加热熔融，使多孔塑料粒子粘结成具有一定几何形状的整体，最终得到以多孔塑料为基体其内嵌入三维网状导电材料的轻量化导电隔热材料。

作为一种优选，所述塑模装置的型腔的材质为铝合金材料，模具型腔设有水蒸气进口和水蒸气出口。

本发明的有益效果如下：

(1)与常规导电复合材料相比，本发明的轻量化导电隔热复合材料具有更低的密度、更优异的隔热性和电磁屏蔽性能；(2)本发明的轻量化导电隔热复合材料能以极低的导电填料含量实现较高导电性能；(3)制备方法简单、易于实现批量化生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明提供的一种轻量化导电隔热复合材料的制备流程

图2为实施例1和实施例2采用的珠粒发泡设备的结构示意图。

图3为实施例1中通过发泡制备的多孔塑料粒子的泡孔结构的扫描电镜(sem)照片。

图4为实施例1中碳纳米管水溶液的透射电镜(tem)照片；

图5为实施例1中经碳纳米管溶液浸渍后多孔塑料粒子表面的扫描电镜(sem)照片。

图6为实施例1中经蒸汽模塑工艺制备的块状导电隔热复合材料的实物照片。

图7为实施例1中经蒸汽模塑工艺制备的导电隔热复合材料的内部结构的显微镜照片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明公开的一种轻量化导电隔热复合材料，包括多孔塑料基体及包裹整个基体且嵌入基体内的连续网状导电材料组成。塑料基体密度小以及多孔的结构特性赋予了该复合材料的轻质属性，塑料基体热导率低以及多孔的结构特性赋予了该复合材料的隔热属性，嵌入在多孔塑料基体内的连续网状导电材料赋予了复合材料的导电属性。

所述的多孔塑料基体为聚丙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、尼龙、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮，硅橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性弹性体、聚四氟乙烯的一种或两种及以上的混合物。

在所述的多孔塑料基体内中混入有改善塑料发泡性能的添加剂。

所述导电材料为炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨、石墨烯、银粉、铜粉的一种或者两种及以上的混合物。

上述新型材料的制备方法主要包括三个工艺阶段：第1步，利用珠粒发泡工艺、釜压发泡工艺或挤出发泡工艺，将实心塑料颗粒发泡成多孔塑料粒子；第2步，将第1步制备的多孔塑料粒子浸入粉状导电材料的溶液，从而在多孔塑料粒子的表面涂覆一层导电材料；第3步，利用蒸汽模塑工艺，将一定量分散的多孔塑料粒子烧结成具有一定几何形状的块状导电隔热复合材料。

实施例1

采用附图2所示的珠粒发泡设备制备多孔塑料粒子，原料为颗粒状聚丙烯，其等效直径约为3毫米，聚丙烯的熔融指数、密度、熔点分别为20g/10min(@220℃/10kg)、0.91g/cm³(@23℃)、165.8℃；发泡剂选用纯度为99.8％的二氧化碳。具体发泡过程如下：第1步，向高压釜中加入700毫升水，约占整个釜腔容积的70％；第2步，再向釜中加入50克颗粒状聚丙烯；第3步，向釜中通入二氧化碳发泡剂，二氧化碳的压力调定为15mpa，釜的温度调定为155℃；第4步，待系统的温度和压力达到调定的水平后，维持调定的温度和压力30分钟，然后打开球阀快速卸掉釜中压力，以使釜中实心塑料颗粒膨胀发泡，从而得到多孔聚丙烯粒子，其发泡倍率为40倍，泡孔平均直径为48μm，内部泡孔结构如图3所示。发泡结束后，将多孔聚丙烯粒子浸入质量浓度为2％的碳纳米管水溶液(如图3所示)，以在多孔聚丙烯粒子的外表面涂覆一层碳纳米管导电材料(如图4所示)。最后，在蒸汽模塑成型设备上，将外表面涂覆了碳纳米管的多孔聚丙烯粒子烧结成形为块状的材料(如图5所示)，该材料以多孔聚丙烯为基体，其内嵌入由碳纳米管组成的三维连续导电网络(如图6所示)，从而成为兼具轻量化、导电、隔热性能于一体的复合材料，其中碳纳米管导电材料的体积含量为0.012％。依据iso国际标准，测量了该复合材料的密度、电导率、热导率以及压缩强度，结果列入表1中。

表1实施例1中制备的多孔聚丙烯/碳纳米管复合材料的物理性能

实施例2

采用附图2所示的珠粒发泡设备制备多孔塑料粒子，原料为颗粒状聚乳酸，其等效直径约为2.5毫米，聚乳酸的熔融指数、密度、熔点分别为18g/10min(@220℃/10kg)、1.24g/cm³(@23℃)、176.0℃；发泡剂选用纯度为99.8％的二氧化碳。具体发泡过程如下：第1步，向高压釜中加入700毫升水，约占整个釜腔容积的70％；第2步，再向釜中加入70克颗粒状聚乳酸；第3步，向釜中通入二氧化碳发泡剂，二氧化碳的压力调定为20mpa，釜的温度调定为145℃；第4步，待系统的温度和压力达到调定的水平后，维持调定的温度和压力45分钟，然后打开球阀快速卸掉釜中压力，以使釜中实心塑料颗粒膨胀发泡，从而得到多孔聚乳酸粒子，其发泡倍率为45倍，泡孔平均直径为28μm。发泡结束后，将多孔聚乳酸粒子浸入质量浓度为2％的石墨烯水溶液，以在多孔聚乳酸粒子的外表面涂覆一层石墨烯导电材料。最后，在蒸汽模塑成型设备上，将外表面涂覆了石墨烯的多孔聚乳酸粒子烧结成形为块状的材料，该材料以多孔聚乳酸为基体，其内嵌入由石墨烯组成的三维连续导电网络，从而成为兼具轻量化、导电、隔热性能于一体的复合材料，其中石墨烯导电材料的体积含量为0.0086％。依据iso国际标准，测量了该复合材料的密度、电导率、热导率以及压缩强度，结果列入表1中。

表1实施例1中制备的多孔聚丙烯/碳纳米管复合材料的物理性能

实施例3

采用附图2所示的珠粒发泡设备制备多孔塑料粒子，原料为颗粒状热塑性聚氨酯，其等效直径约为1.5毫米，聚苯乙烯的熔融指数、密度、玻璃化转变温度分别为25g/10min(@220℃/10kg)、1.21g/cm³(@23℃)、164.7℃；发泡剂选用纯度为99.8％的二氧化碳。具体发泡过程如下：第1步，向高压釜中加入700毫升水，约占整个釜腔容积的70％；第2步，再向釜中加入65克颗粒状热塑性聚氨酯；第3步，向釜中通入二氧化碳发泡剂，二氧化碳的压力调定为18mpa，釜的温度调定为112℃；第4步，待系统的温度和压力达到调定的水平后，维持调定的温度和压力45分钟，然后打开球阀快速卸掉釜中压力，以使釜中实心塑料颗粒膨胀发泡，从而得到多孔热塑性聚氨酯粒子，其发泡倍率为8倍，泡孔平均直径为35μm。发泡结束后，将多孔热塑性聚氨酯粒子浸入质量浓度为2％的石墨烯水溶液，以在多孔热塑性聚氨酯粒子的外表面涂覆一层石墨烯导电材料。最后，在蒸汽模塑成型设备上，将外表面涂覆了石墨烯的多孔热塑性聚氨酯粒子烧结成形为块状的材料，该材料以多孔热塑性聚氨酯为基体，其内嵌入由石墨烯组成的三维连续导电网络，从而成为兼具轻量化、导电、隔热性能于一体的复合材料，其中碳纳米管导电材料的体积含量为0.0092％。依据iso国际标准，测量了该复合材料的密度、电导率、热导率以及压缩强度，结果列入表1中。

表1实施例1中制备的多孔聚丙烯/碳纳米管复合材料的物理性能

制备上述实施例1、2、3中所述材料的系统，包括

发泡装置，用于将实心的塑料粒子发泡成多孔塑料粒子；

涂覆装置，用于将导电材料涂覆在所述的多孔塑料粒子上；

塑模装置，用于将涂覆有导电材料的多孔塑料粒子外表面加热熔融，使多孔塑料粒子粘结成具有一定几何形状的整体，最终得到以多孔塑料为基体其内嵌入三维网状导电材料的轻量化导电隔热材料。

其中，发泡装置如图2所示，包括高压釜，所示的高压釜连接有气瓶，在所述的气瓶与高压瓶连接管路上安装有压力计、球阀和调压泵等；且高压釜内部设有搅拌装置，在搅拌装置的下部开口，用于将处理后的粒子从底部排出，在所述的高压釜还与一个温度控制器相连，控制其内的温度。

作为一种优选，所述塑模装置的型腔的材质为铝合金材料，模具型腔设有水蒸气进口和水蒸气出口。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。