專利名稱：一種含碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體，特別適合用作導(dǎo)電或?qū)ъo電復(fù)合材料制備中的導(dǎo)電功能體，屬于功能材料領(lǐng)域。
隨著技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，靜電的危害也日益突顯出來。近10余年來，由于靜電的干擾和危害(如引起電子電器設(shè)備的誤操作)引起無數(shù)次事故，造成了重大的經(jīng)濟損失，特別是石油儲罐，由于對防靜電處理認(rèn)識不足和重視不夠，曾發(fā)生過嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故。
導(dǎo)靜電涂料是近年來迅速發(fā)展起來的一種功能性涂料，主要用于消除靜電的危害。由于生產(chǎn)設(shè)備簡單、施工方便、成本低廉等特點，導(dǎo)靜電涂料得到了廣泛使用。
導(dǎo)電功能體是導(dǎo)靜電涂料重要組成成分。傳統(tǒng)的導(dǎo)電功能體有炭黑、石墨、銀、銅、鋁、鎳金屬粉末，但這些導(dǎo)電功能體均有一定缺陷而在應(yīng)用時受到限制。導(dǎo)電炭黑或石墨呈黑色，導(dǎo)電性較好，但著色力強、較難分散，尤其制品顏色很黑，容易吸收太陽光或紅外光引起發(fā)熱膨脹。各種金屬粉末導(dǎo)電性雖強，但除銀以外，鋁、鎳、銅粉末易氧化，耐腐蝕性差。故迫切希望開發(fā)顏色淺、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、成本低的導(dǎo)電功能體。
碳納米管是一種管狀結(jié)構(gòu)納米碳材料，于1991年被日本NEC電鏡專家飯島發(fā)現(xiàn)。碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且具有纖維狀結(jié)構(gòu)。在制備導(dǎo)靜電涂料時，加入很少量的碳納米管就能達(dá)到導(dǎo)靜電的要求。因添加量少，其顏色容易掩蓋，易于獲得淺色色調(diào)產(chǎn)品，同時還有利于導(dǎo)靜電涂料其它性能的設(shè)計，可調(diào)變空間大。
由于碳納米管為一維納米材料，直徑在納米尺寸范圍，長度在微米尺度范圍，長徑比一般在1000以上。由于特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，碳納米管之間互相纏繞，難于分散，使用性能并不理想。
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種新型復(fù)合導(dǎo)電粉體，使其具有更好的綜合使用性能。具體方案就是將碳納米管與微米顆粒復(fù)合，使碳納米管在微米顆粒表面均勻分散，獲得一種含碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體。
本發(fā)明的目的可以通過如下原理實現(xiàn)首先在水溶液或者其它有機溶劑中將碳納米管均勻分散，形成碳納米管的懸浮液，然后在強力攪拌下將其它微米顆粒加入到碳納米管懸浮液中，攪拌一定時間后過濾，濾液回收后循環(huán)使用，濾餅烘干后即得到復(fù)合導(dǎo)電粉體。
本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電粉體具有以下優(yōu)點(1)實現(xiàn)了顆粒與纖維兩種結(jié)構(gòu)粉體材料的復(fù)合，在制備導(dǎo)電或?qū)ъo電復(fù)合材料時，添加少量這種復(fù)合導(dǎo)電粉體就能形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于導(dǎo)電或?qū)ъo電復(fù)合材料性能的優(yōu)化；(2)實現(xiàn)了碳納米管在微米顆粒表面的均勻分散，實際使用時，只要解決微米顆粒的分散問題(現(xiàn)有技術(shù)完全能實現(xiàn)微米顆粒的均勻分散)，就解決了碳納米管的分散問題；(3)將大大降低復(fù)合導(dǎo)電粉體的成本碳納米管將成為廉價的纖維狀導(dǎo)電材料，與微米顆粒復(fù)合后，可避免使用高成本的半導(dǎo)體氧化錫等材料。
本發(fā)明的微米顆?？梢允悄壳艾F(xiàn)有的導(dǎo)電粉體，如導(dǎo)電云母粉、導(dǎo)電二氧化鈦、導(dǎo)電二氧化硅、導(dǎo)電氧化鋅、石墨、半導(dǎo)體氧化錫-氧化銻以及銀、銅、鎳等導(dǎo)電粉體，也可以是CuI、CuS、CdS等無機鹽類導(dǎo)電體，還可以是不導(dǎo)電的云母粉、二氧化鈦、二氧化硅、氧化鋅、氧化錫等無機粉體以及高分子顆粒(如高分子中空微球)等。
本發(fā)明的碳納米管主要作用是作為導(dǎo)電功能體，因而希望碳納米管能最大程度地形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，長度越小的碳納米管越容易分散，但長度越小，所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)越致密，參與形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳納米管的量就越大。因此，在能保證充分分散的情況下，碳納米管的長度越長越好。
本發(fā)明所用分散設(shè)備為超聲分散設(shè)備，能將長度50μm以下的碳納米管在水中或有機溶劑中很好分散。最理想的碳納米管長度在10μm以下，超聲分散所形成的碳納米管懸浮液存放穩(wěn)定期最長。
在充分分散情況下，碳納米管的個體數(shù)量決定了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的難易程度。實際情況是，在相同重量下直徑小的碳納米管比直徑大的碳納米管具有更多的碳納米管個體數(shù)量，因而在碳納米管充分分散情況下，直徑小的碳納米管比直徑大的碳納米管更容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明中所采用的碳納米管外直徑在0.5-300nm范圍，最佳的碳納米管外直徑在3-30nm范圍。碳納米管直徑太小，其比表面積就更大，相互間作用力增強，不易分散。直徑太大，單位重量下碳納米管的個體數(shù)量就少，也不容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于在微米顆粒中引入一維納米導(dǎo)電材料碳納米管(包括納米碳纖維)，使碳納米管在微米顆粒表面均勻分散，再通過分散微米顆粒使碳納米管在目標(biāo)產(chǎn)品中得到均勻分散。因碳納米管之間以及碳納米管與導(dǎo)電微米顆粒之間容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，故在實際使用中添加量要比現(xiàn)有導(dǎo)電粉體添加量少得多，這不但有利于降低目標(biāo)產(chǎn)品的成本，也為目標(biāo)產(chǎn)品性能改進提供了空間。
本發(fā)明所述的碳納米管，也被稱作納米碳管，英文名稱為carbon nanotubes，縮寫為CNTs。本發(fā)明所述的碳納米管包括多壁碳納米管、復(fù)壁碳納米管或者單壁碳納米管，也包括納米碳纖維或碳納米纖維。
下面結(jié)合實施例說明本發(fā)明的過程實施例1在350ml 95％的乙醇中加入0.5g長度50μm、直徑10nm的碳納米管，采用SONIC 130超聲分散設(shè)備超聲分散10分鐘，形成碳納米管懸浮液。該懸浮液呈碳素墨水狀，靜置30分鐘未見明顯分層。在強力攪拌下向該碳納米管懸浮液中加入直徑15μm左右的云母片24.5g，攪拌1小時后過濾，烘干濾餅得到含2wt％碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體，在4MPa壓力下測定該復(fù)合導(dǎo)電粉體的體積電阻率為88Ω·cm。
實施例2同實施例1，將碳納米管更換為長度5μm、直徑10nm的碳納米管，獲得含2wt％碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其體積電阻率為42Ω·cm。
實施例3同實施例2，將直徑15μm左右的云母片改為導(dǎo)電云母粉(體積電阻率96Ω·cm)，獲得復(fù)合導(dǎo)電粉體的體積電阻率為18Ω·cm。
實施例4在350ml蒸餾水中加入0.5g長度20μm、直徑10nm的碳納米管，采用SONIC 130超聲分散設(shè)備超聲分散10分鐘，形成碳納米管懸浮液。該懸浮液呈碳素墨水狀，靜置30分鐘未見明顯分層。在強力攪拌下向該碳納米管懸浮液中加入直徑5μm左右的導(dǎo)電鈦白粉(體積電阻率109Ω·cm)99.5g，攪拌1小時后過濾，烘干濾餅得到含0.5wt％碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電粉體，在4MPa壓力下測定該復(fù)合導(dǎo)電粉體的體積電阻率為39Ω·cm。
實施例5同實施例4，將碳納米管改為長度5μm、直徑200nm的碳納米管，將導(dǎo)電鈦白粉改為直徑5μm左右的二氧化鈦粉體，獲得復(fù)合導(dǎo)電粉體的體積電阻率為116Ω·cm。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合導(dǎo)電粉體，至少由兩種物質(zhì)組成，其中一種為云母、石墨、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、半導(dǎo)體氧化錫等粉體材料或高分子顆粒等，其特征在于至少有一種物質(zhì)為碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管為多壁碳納米管(包括納米碳纖維)、復(fù)壁碳納米管或者單壁碳納米管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管在復(fù)合導(dǎo)電粉體中的重量含量小于50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管在復(fù)合導(dǎo)電粉體中的重量含量在0.05％-10％范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述的云母、石墨、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅等粉體材料為含有云母、石墨、二氧化硅、二氧化鈦或氧化鋅等導(dǎo)電粉體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述的云母、石墨、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、半導(dǎo)體氧化錫等粉體材料以及高分子顆粒等為微米尺寸粉體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管的管外直徑在0.5nm-500nm范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管的管外直徑在1.0nm-30nm范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管的長度在0.05μm-50μm范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電粉體，其特征在于所述碳納米管的長度在0.5μm-10μm范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合導(dǎo)電粉體。該復(fù)合導(dǎo)電粉體由碳納米管與其他微米顆粒復(fù)合形成，碳納米管在微米顆粒表面均勻分散。碳納米管在復(fù)合導(dǎo)電粉體中的重量含量小于 50％，最佳重量含量在0.5％－10％范圍。所述其他微米顆粒為云母、石墨等礦物粉體以及氧化鋅、氧化鈦等氧化物粉體或者為高分子微粒(如高分子中空微球)等。所述其他微米粉體可以是導(dǎo)電體、半導(dǎo)體或絕緣體。
文檔編號H01B1/00GK1667757SQ200410021990
公開日2005年9月14日 申請日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月10日
發(fā)明者瞿美臻, 趙社濤, 周固民, 于作龍 申請人:中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司