導電ptfe帶的制作方法

專利名稱：導電ptfe帶的制作方法
導電PTFE帶相關申請
本申請涉及2004年4月29日提交的題為"通過混合單壁納米 管獲得的導電PTFE帶"的臨時申請60/566， 632和2004年4月29日提 交的題為"通過混合氣相生長的碳纖維或多壁碳納米管獲得的導電PTFE 帶"的臨時申請60/566,633。技術領域
本申請涉及制造導電聚四氟乙烯(PTFE)帶。
技術背景
美國專利號6,384,128公開了一種在單螺桿或雙螺桿擠出機中 與導電纖維和碳粉一起混合的多種熱塑性樹脂的組合物，該擠出機熔融、 揉捏和擠出這些混合物。
美國專利號6,528,572公開了多種多樣的熱塑性樹脂中的導電 填料，例如碳纖維或具有抗靜電劑的碳黑。
美國專利號6,689,835公開了一種導電、聚合的組合物，其包括聚合樹脂和導電填料系統(tǒng)，該導電填料系統(tǒng)包括小的碳纖維和碳粉或 纖維狀的不導電填料或兩者的結合。
專利申請公開U.S.2003/0068550公開了一種涂敷有導電聚合物的電極，該電極由碳材料/導電聚合物合成物組成。
專利申請公開U.S.2003/0158323公開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。
專利申請公開U.S.2003/0181568公開了類似于美國專利號 6,689,835的組合物。
專利申請公開U.S.2004/0028859公開了導電和/或具有水乳膠聚合物粘合劑、吸收電磁輻射涂層的組合物。
專利申請公開U.S.2004/0029706公開了陶瓷納米組合物，其包括陶瓷主體和納米結構的碳材料。
專利申請公開U.S.2004/0077771公開了類似于美國專利號 6,384,128的組合物。
專利申請公開U.S.2004/0262581公開了用于制造包括聚合物樹脂、碳納米管和任選的增塑劑的組合物的方法。
專利申請公開U.S.2005/0038225公開了包括有機聚合物和單 壁碳納米管(SWNT)成分的組合物，其通過在聚合物前體聚合過程之前 或期間將SWNT加到聚合物前體中來制造。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有導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)帶以及通過氣相生長的碳纖維或碳納米 管或兩者結合與PTFE混合來制造導電帶的方法。


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

本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及導電聚四氟乙烯(PTFE)帶及其制 造方法。PTFE是一種獨特的含氟聚合物，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);無定形含氟聚合物(AF); 以及乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)可以用來制造導電帶。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-氟鍵是有機化學中熟 知的最強化學鍵之一，并且只能在極端條件(例如加熱超過IOO(TF)下 分解。PTFE的惰性使得其在強酸例如電池結構、燃料電池等中操作時作 為所選擇的聚合物。PTFE帶，如這里所定義的，是具有兩個表面，且具 有大約0.001到大約0.100英寸厚度的薄片。
制造導電含氟聚合物帶的優(yōu)選方法是通過糊料擠出；然而，帶 可以通過薄膜鑄塑制得。在這兩種過程中，碳必須與含氟聚合物(優(yōu)選 是PTFE) —起分散。在嘗試使用碳黑來制造導電帶的過程中，發(fā)現(xiàn)通過在PTFE中添加大約20%的碳黑，其對于獲得實際導電率是必要的，但 混合物的粘度太高以至于不能通過常規(guī)糊料擠出方法制造帶。而且，該 PTFE帶的物理性能(例如抗拉強度和延伸率)是相當?shù)男　?br> PTFE樹脂商業(yè)制造成凝結的分散聚合物(精細的均勻粉末)， 這種PTFE樹脂是本發(fā)明中使用的優(yōu)選的樹脂，或PTFE樹脂商業(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。在制造納米管的過程中，SWNT或MWNT 彼此粘結或成束，這被認為是范德瓦爾斯力作用的結果。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程中使用的潤滑劑優(yōu)選是異鏈烷烴溶劑 中。玻璃容器中的納米管和潤滑劑混合物放置在40-70KHz水浴超聲波儀 中一段時間，典型的是10分鐘到48小時。超聲處理后，納米管與PTFE 樹脂分散，并且在糊料擠出過程中擠出該混合物。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多VGCF的制造過程具有納米管成束的特性，類似 的，VGCF可以在水浴超聲波儀中處理以制造和PTFE樹脂可分散的碳。
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 準備制造糊料擠出過程中用的糊料。碳和PTFE與潤滑劑一起以預期的濃 度翻滾。潤滑劑優(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)過超聲處 理碳已經(jīng)分散，則和碳一起使用的潤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備一起混合?，F(xiàn)在參考圖1，擠出機l迫使壓片2通過模子3。模子3可以 是錐形模、魚尾形模、衣架?；蛱厥獾膶Ｓ媚＃總€模子直接或非直接 地形成在壓片機4中的兩個輥直接產(chǎn)生的片。該片然后通過輥傳輸?shù)揭?系列輥，如圖所示在蒸發(fā)爐中為4個輥。在該爐中，可能是隔板(未示 出)允許每個輥周圍的溫度得到控制，并且蒸發(fā)的潤滑劑可以在有效而 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爐5以獲得預期厚度的最 終的帶子時，以獨立速度運行以拉長和減小該片的厚度，如圖1所示是 傳統(tǒng)的商業(yè)糊料擠出過程。
現(xiàn)在參考圖2，示出了用來制造壓片2的裝置。該特殊的裝置取決于自動化和體積，或該特殊的裝置可以是由人手動控制的裝置。操 作是將預期量的PTFE、碳和潤滑劑的混合物以預期糊料的濃度來填充壓 力機7。具有與壓力機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可以作為單個結構被處理并注入模子3。
以下給出的實施例用來說明本發(fā)明
該實例示例說明一個優(yōu)選實施例，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％的潤滑劑噴射到該混合物中。 備選地，在翻滾之前將潤滑劑噴射到VGCF和PTFE的混合物中。翻滾 后，預混合的混合物在No.lO濾網(wǎng)上篩分，其孔的大小為2.00毫米(mm) 以除去大一些的結塊。然后在繼續(xù)糊料擠出過程前，在環(huán)境條件下將預 混合的混合物放置在塑料袋中至少20-48小時。
然后預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)。軸向強度為 1000-3000磅/平方英寸，軸向延伸率為100-300%;橫向抗拉強度為 600-1000磅/平方英寸，橫向延伸率為500-800%。為獲得更強的帶子， 制造時該帶可以被燒結。在燒結過程中，在高于熔點327X:的條件下加熱 帶子足夠長的時間，使得PTFE經(jīng)過凝膠狀態(tài)。燒結后，帶子的表面電阻 降低到接近102歐姆/平方。軸向抗張強度為4000-7000磅/平方英寸，軸 向延伸率為100-250%;橫向抗張強度為3000-5000磅/平方英寸，橫向延 伸率為200-400%。 實施例2
該實例示例說明一個優(yōu)選實施例，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。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一步混合，該混合物被 篩分、封裝和儲存在環(huán)境條件下至少24小時。
除了擠出壓力更低并且范圍在900-1200磅/平方英寸之外，帶糊料擠出過程類似于實施例1中所述。
帶子的表面電阻在105-103歐姆/平方的范圍內(nèi)。軸向抗拉強度 為500-2000磅/平方英寸，軸向延伸率為100-300%;橫向抗拉強度為 300-1000磅/平方英寸，橫向延伸率為500-800%。燒結后，帶子的表面 電阻升高到接近102歐姆/平方。軸向抗拉強度為3000-7000磅/平方英 寸，軸向延伸率為50-250%;橫向抗拉強度為800-5000磅/平方英寸，橫 向延伸率為100-400%。實施例3
該實例示例說明一個優(yōu)選實施例，其中碳是VGCF和納米管的 混合物。
VGCF和納米管通過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小時進行預處理。帶糊料擠出過程類似于實施例 2中所述。
現(xiàn)在參考圖3A和3B，壓力機7的橫截面通常如圖3A中所示， 其中單中糊料PTFE、碳和潤滑劑注入壓力機7中。PTFE帶在片的兩側 將具有相同的電阻率。然而，如圖3B中所示，在壓力機7中使用隔板時， 制得改進的帶。改進的帶可以在片的每側具有不同的電阻率或一側具有 電阻率而另一側沒有電阻率。 實施例4
該實例示出改進的PTFE帶。
在具有如圖3B中所示的將兩種預混合的混合物分開的隔板的 壓力機7中， 一種具有實施例1的組成成分的混合物填充X，而第二種 沒有碳(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入壓力機以形成壓片。在擠出過程中，使用模子 來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表面和具 有電阻率差異很大的另一個表面。有可能對改進的帶子進行改變。
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)、 汽車工業(yè)流水線、電纜、泵、閥、壓縮機和工業(yè)封裝中具有優(yōu)異的潛在 應用。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 以纏繞在未燒結的軸上以形成管，這些管在燒結后可以運載液體。
權利要求
1、一種含氟聚合物帶，其具有導電表面。
2、 一種具有導電表面的PTFE帶。
3、 根據(jù)權利要求2的PTFE帶，其中所述導電表面位于所述帶的兩
4、 根據(jù)權利要求2的PTFE帶，其中所述帶的一側比所述帶的另一 側更導電。
5、 一種制造導電PTFE帶的方法，包括 將可分散的碳與PTFE樹脂混合以形成壓片；以及 將所述壓片擠出形成帶。
6、 根據(jù)權利要求5的方法，其中所述可分散的碳是氣相生長的碳纖維。
7、 根據(jù)權利要求5的方法，其中所述可分散的碳是碳納米管。
8、 根據(jù)權利要求5的方法，其中所述可分散的碳是包含氣相生長的 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間。
10、 根據(jù)權利要求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)帶以及通過氣相生長的碳纖維或碳納米管或兩者結合與PTFE混合來制造導電帶的方法。
文檔編號B32B27/00GK101213617SQ200680023449
公開日2008年7月2日 申請日期2006年4月27日 優(yōu)先權日2005年4月29日
發(fā)明者B·舒爾特-拉德貝克, J·任 申請人:全塑膠公司