專利名稱：一種梯度導電材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種梯度導電材料及其制備方法，屬于新材料及材料制備領域。
背景技術：
功能梯度材料是指材料的組成、結構等構成要素在材料的某個方向上連續變化，從而使材料的性能也呈連續變化的一種非均質復合材料。功能梯度材料的制備與結構控制是實現功能梯度材料設計目標并獲得適當的組元分布、顯微組織與所需性能的關鍵，也因此是研究的熱點。功能梯度材料的傳統制備方法主要有粉末冶金、自蔓延反應合成、激光燒結、離心鑄造、電解析出、等離子噴涂、氣相沉積、多弧離子鍍等。 FGM的研究由材料設計、材料合成和材料性能評價三個部分組成。材料合成是FGM研究的核心，材料設計則是為FGM合成提供最佳的組成和結構梯度分布，材料性能評價則是建立準確評價FGM性能的一整套標準化試驗方法，依此標準對FGM進行測試并將測試結果及時反饋給材料設計部門.三者緊密相關，相輔相成。目前材料設計多數采用逆設計系統。首先是按照對材料性能的要求和使用條件，然后查閱材料組成和構造的知識庫，依據設計的基本理論，對材料的組成和結構的梯度分布進行設計。FGM的研究的一個重要方面是新的、經濟的FGM制備方法和工藝的開發。期望在改善現有FGM制備工藝的前提下，能開發出經濟的、應用面較廣(大面積、形狀復雜件)的FGM的制備工藝。導電復合材料目前主要是指復合型導電高分子材料，是將聚合物與各種導電物質通過一定的復合方式構成.長期以來，高分子材料通常是作為絕緣材料在電氣工業、安裝工程、通訊工程等方面廣泛使用。導電高分子材料按結構和制備方法不同可分為結構型和復合型兩大類。結構型導電高分子又稱本征型導電高分子，是指具有共軛結構經少量摻雜具有導電性的材料；復合型導電高分子材料是以高分子材料為基體，經物理或化學改性后具有導電性的材料，根據在基體聚合物中所加入導電物質的種類不同又分為兩類填充復合型導電高分子材料和共混復合型導電高分子材料。填充復合型導電高分子材料通常是在基體聚合物中加入導電填料復合而成。導電填料主要有抗靜電材料、炭系材料(炭黑、石墨、碳纖維等)、金屬氧化物系材料(氧化錫、氧化鉛、氧化鋅、二氧化鈦等)、金屬系材料(銀、金、鎳、銅等)、各種導電金屬鹽以及復合填料(銀-銅、銀-玻璃、銀-碳、鎳-云母等)等。共混復合型導電高分子材料是在基體聚合物中加入結構型導電聚合物粉末或顆粒復合而成。在實際應用過程中，人們往往需要導電復合材料沿某個特定方向導電性連續變化，由一側的絕緣性逐漸轉變為另一側的導電性，是為梯度導電材料。本發明采用運動磁場對導磁導電復合填料的磁驅動，實現導電填料在基體中梯度分布，從而實現梯度導電特性。
發明內容
本發明的目的是針對現有材料體系的不完善和制備技術的不足，提供一種梯度導電材料及其制備方法。
本發明方法的具體步驟為步驟I)復合體系制備該方法要求導電填料對磁場存在磁響應，因此填料必須具有鐵磁性。有些導電填料本身就是鐵磁性物質，而大部分導電填料不具備鐵磁性，則可以通過物理或化學方法在導電填料上復合磁性物質，從而賦予導電填料鐵磁特性。本發明的重點不在于導電鐵磁性填料的制備，相關制備技術很多物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、化學鍍、化學合成等。本發明是在鐵磁性導電填料的基礎上，通過運動磁場驅動，進而獲得梯度導電材料。在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 100份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑或交聯劑，繼續攪拌30s。所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。 所述的鐵磁性導電填料由導電功能團和鐵磁性功能團組成，其中導電功能團包括所有導電材料，主要為炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等，鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，主要為 Fe、Co、Ni、Fe2O3' Fe3O4 等。所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。所述的交聯劑為苯乙烯。步驟2)運動磁場驅動將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具處，磁場強度為O. 01 2. 0T，運動速度為O. I 20mm/s，驅動次數為I 100次。所述的磁場是由電磁鐵或永磁體產生。步驟3)固化將取向成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。 本發明是將鐵磁性導電填料與有機單體組成的復合體系，在磁場中利用外磁場對粒子的驅動作用，使鐵磁性導電填料在有機物中沿磁場運動方向呈梯度分布，經固化后獲得梯度導電材料。本發明的優點是I)獲得一種梯度導電材料，該材料隨著導電填料在聚合物基體中的梯度分布，而呈現出導電性能的梯度分布。2)提供一種簡便制備導電梯度材料的方法，該方法利用外磁場對導電填料的磁驅動作用，通過磁場運動來驅動鐵磁性導電填料隨著磁場運動,從而獲得沿磁場運動方向的梯度分布。
圖I是梯度導電材料制備原理示意圖。圖中，導電功能團I、鐵磁性功能團2、聚合物基體3、初始位置磁極4、終了位置磁極5。在磁極4以速度V由位置(a)處移動到位置(b)處時，鐵磁性導電填料1、2將隨著磁場遷移，最終沿磁場方向形成梯度分布。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明進行詳細描述，以便更好地理解本發明的目的、特點和優點。雖然本發明是結合該具體的實施例進行描述，但并不意味著本發明局限于所描述的具體實施例。相反，對可以包括在本發明權利要求中所限定的保護范圍內的實施方式進行的替代、改進和等同的實施方式，都屬于本發明的保護范圍。本發明涉及一種梯度導電材料及其制備方法，該方法包括以下步驟步驟I)復合體系制備在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 100份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑或交聯劑，繼續攪拌30s。步驟2)運動磁場驅動
將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具處，磁場強度為O. 01 2. 0T，運動速度為O. I 20mm/s，驅動次數為I 100次。步驟3)固化將取向成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。所述的鐵磁性導電填料由導電功能團和鐵磁性功能團組成，其中導電功能團包括所有導電材料，主要為炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等，鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，主要為Fe、CO、Ni、Fe203、Fe304等。所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。所述的交聯劑為苯乙烯。所述的磁場是由電磁鐵或永磁體產生。對制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的鐵磁性導電填料沿磁場運動方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度分布。實施例I :在100份的不飽和聚酯單體中加入10份平均顆粒尺寸為O. I μ m的炭黑/Fe2O3鐵磁性導電填料，在20°C水浴鍋中攪拌分散5h ;在體系分散均勻后，再加入5份交聯劑苯乙烯，繼續攪拌30s。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為O. 1T，運動速度為O. 5mm/s，驅動次數為10次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20°C，保溫480h。對實例I所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的炭黑/Fe2O3鐵磁性導電填料沿磁場運動方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例2:在100份的環氧樹脂單體中加入5份平均直徑為O. I μ m的碳纖維/Fe鐵磁性導電填料，在60°C水浴鍋中攪拌分散O. 5h ;在體系分散均勻后，再加入15份固化劑聚酰胺，繼續攪拌30s。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為O. 01T，運動速度為O. lmm/s，驅動次數為100 次。
將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度80°C，保溫20h。對實例2所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的碳纖維/Fe鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例3 在100份的酚醛樹脂單體中加入30份平均顆粒尺寸為8. 9 μ m的石墨/Fe3O4鐵磁性導電填料，在80°C水浴鍋中攪拌分散IOh ;在體系分散均勻后，再加入I份固化劑六次甲基四胺，繼續攪拌30s。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為2. 0T，運動速度為O. lmm/s，驅動次數為I次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度200°C，保溫lh。 對實例3所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的石墨/Fe3O4鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例4:在100份的聚乙烯單體中加入20份平均顆粒尺寸為5. 2 μ m的Cu/Fe鐵磁性導電填料，在180°C條件下攪拌分散O. 5h。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為I. 0T，運動速度為20mm/s，驅動次數為100次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20°C，保溫400h。對實例4所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的Cu/Fe鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例5 在100份的聚丙烯單體中加入20份平均顆粒尺寸為100 μ m的Al/Ni鐵磁性導電填料，在200°C條件下攪拌分散2h。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由永磁體產生，磁場強度為O. 2T，運動速度為5mm/s，驅動次數為100次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20°C，保溫100h。對實例5所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的Al/Ni鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例6:在100份的聚苯乙烯單體中加入100份平均顆粒尺寸為9 μ m的Ag/Co鐵磁性導電填料，在250°C條件下攪拌分散2h。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由永磁體產生，磁場強度為O. 2T，運動速度為lmm/s，驅動次數為20次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20°C，保溫48h。對實例6所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的Ag/Co鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。
實施例7 在100份的環氧樹脂單體中加入20份平均顆粒尺寸為12 μ m的炭黑/Fe3O4鐵磁性導電填料，在80°C水浴鍋中攪拌分散O. 5h ;在體系分散均勻后，再加入9份固化劑間苯二甲二胺，繼續攪拌30s。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為O. 1T，運動速度為O. 5mm/s，驅動次數為10次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度90°C，保溫15h。
對實例7所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的炭黑/Fe3O4鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。實施例8:在100份的聚乙烯單體中加入20份平均顆粒尺寸為I. 2 μ m的Fe鐵磁性導電填料，在180°C條件下攪拌分散O. 5h。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具，驅動體系中的磁性顆粒隨磁場運動。磁場由電磁鐵產生，磁場強度為O. 5T，運動速度為Omm/s，驅動次數為20次。將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20°C，保溫400h。對實例8所制備的樣品進行金相觀察，發現聚合物基體中的Fe鐵磁性導電填料沿外磁場方向呈梯度分布。對材料進行電導率測試發現，材料的導電性呈梯度變化。
權利要求
1.一種梯度導電材料，其特征在于該材料由鐵磁性導電填料與聚合物基體組成。
2.如權利要求I所述的一種梯度導電材料，其特征在于鐵磁性導電填料在聚合物基體中呈梯度分布，從而呈現出梯度導電特性。
3.如權利要求I所述的一種梯度導電材料，其特征在于該材料的制備方法包括以下步驟 步驟I)復合體系制備 在100份的熱固性或熱塑性有機物單體中加入5 100份平均尺寸為O. I 100 μ m的鐵磁性導電填料，在20 250°C條件下攪拌分散O. 5 IOh ;對于熱固性有機單體，還需在體系分散均勻后，再加入I 15份固化劑或交聯劑，繼續攪拌30s。
步驟2)運動磁場驅動 將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具處，磁場強度為O. 01 .2.0T，運動速度為O. I 20mm/s，驅動次數為I 100次。
步驟3)固化 將驅動成型后的樣品置于烘箱內固化，烘箱溫度20 200°C，保溫I 480h。
4.如權利要求3所述的一種梯度導電材料及制備方法，其特征在于所述的有機單體為不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯。
5.如權利要求3所述的一種梯度導電材料及制備方法，其特征在于所述的鐵磁性導電填料由導電功能團和鐵磁性功能團組成。
6.如權利要求5所述的鐵磁性導電填料，其特征在于所述的導電功能團包括所有導電材料，特別是炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉等。
7.如權利要求5所述的鐵磁性導電填料，其特征在于所述的鐵磁性功能團包括所有鐵磁性材料，特別是Fe、Co、Ni、Fe203、Fe3O4等。
8.如權利要求3所述的一種梯度導電材料及制備方法，其特征在于所述的固化劑為聚酰胺、六次甲基四胺、間苯二甲二胺。
9.如權利要求3所述的一種梯度導電材料及制備方法，其特征在于所述的交聯劑為苯乙烯。
10.如權利要求3所述的一種梯度導電材料及制備方法，其特征在于所述的磁場是由電磁鐵或永磁體產生的磁場。
全文摘要
本發明涉及一種梯度導電材料及其制備方法。本發明方法是在有機高分子單體中加入一定量的鐵磁性導電填料，在適當的溫度條件下機械攪拌均勻。如果有機物為熱固性聚合物，在體系分散均勻后，再加入適量的固化劑或交聯劑，繼續攪拌均勻。將彌散復合體系注入模具中，然后將運動磁場作用于模具處，驅動鐵磁性導電填料隨磁場運動，形成梯度分布。將成型后的樣品置于烘箱內保溫固化一定時間，直至樣品完全固化。本發明制備梯度導電材料的工藝簡單，實用。制備的梯度導電樣品組織致密，表面比較平整。基體中的鐵磁性導電填料在磁場運動方向形成梯度分布，從而呈現梯度導電性能。
文檔編號C08K3/22GK102964531SQ201210433250
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者彭曉領, 金頂峰, 洪波, 金紅曉, 王新慶, 徐靖才, 葛洪良 申請人:中國計量學院