CN107545958A - 一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法及其装置，该方法是通过对导电膜施加高于通常使用电压后可以产生高于通常的工作温度的温度来对导电膜自身进行焦耳热处理，在此过程中碳基导电膜的体积电阻率可以得到有效的降低。该方法步骤如下：a)将碳基导电膜接入焦耳热处理装置；b)：施加稳定的电压或者改变电压保持稳定的焦耳热处理温度进行处理；c)：冷却导电膜。该方法涉及一套特别的通电焦耳热处理装置，包括可调节稳压电源、导线、夹持电极、电压电流检测装置以及温度监测装置。通电焦耳热处理方法与外部传热处理方法相比较优势在于：易于操作、方便控制、耗时短而效果明显，同时扩大了热处理的适用范围。

Description

一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种碳基导电膜的处理方法及其装置，用以降低碳基导电膜的体积电阻率。

背景技术

目前碳基导电膜以其优异的性能引起国内外研究人员开展相关的研究，尤其是以碳纳米管和石墨烯为导电填料的碳基导电膜具有电导率高、质量轻、光学性能好、柔韧性好等优异性能，被广泛的应用到防静电、电磁屏蔽、电热膜、电池和超级电容器等领域。

对于碳基导电膜来说一个重要的目标就是降低其体积电阻率，Yan等人(Yan J，YG Jeong.Composites Science and Technology，2015，106：134-140.)通过改变导电填料的种类，含量或者综合使用多种导电填料以达到降低体积电阻率的目的，CN 103665908 A公开了一种通过控制碳纳米管形成碳纳米管簇来实现降低体积电阻率的方法，Cristhian等人(Garzon Cristhian，Palza Humberto.Composite Science and Technology，2014，99：117-123.)对碳基导电膜进行外热处理以降低碳基导电膜的体积电阻率。

发明内容

结合碳基导电膜在被施加高电压后产生热量进而可以对自身进行热处理的特点，本发明是一种新的降低碳基导电膜体积电阻率的方法及其装置，即对碳基导电膜进行通电焦耳热处理，同时包含了实施该方法的装置。该方法具有操作简单、耗时短、效果明显、无污染的特点，适合规模化对碳基导电膜进行处理加工等优点。

本发明的技术方案是：

所述降低碳基导电膜体积电阻率的方法是对导电膜进行焦耳热处理，即对碳基导电膜施加超出其通常使用电压时导电膜产生高于其通常工作温度的温度来对导电膜本身进行焦耳热处理的过程。

所述施加超出其常规使用电压，该电压为0.01～10000V，优选的，电压为5～1000V。

所述高于导电膜通常工作温度的焦耳热处理温度为50～400℃，优选的，焦耳热处理温度为70～180℃。

对碳基导电膜进行通电焦耳热处理包括如下步骤：a)将需要通电焦耳热处理的碳基导电膜接入焦耳热处理装置；b)：连接电源，施加确定的电压处理温度在权利3所述的温度范围内波动或者保持确定的焦耳热处理温度而不断的调整所施加的电压，电压在权利2所要求的电压范围内；c)：断开电源，冷却碳基导电膜。

c)步骤中所述的断开电源，冷却碳基导电膜，对于冷却速度可进行快速冷却，自然冷却和缓慢冷却。

实施通电焦耳热处理方法的装置由可调节稳压电源、导线、夹持电极、电压电流检测装置以及温度监测装置组成。

所述的可调节稳压电源为直流稳压电源或者交流稳压电源。

所述的夹持电极是将电极粘在夹子内侧，将夹子夹在导电膜上即可实现导电膜与电极的良好接触。

所述的焦耳热处理装置中的温度监测装置为接触式温度监测装置，如热电偶及其显示装置，或者非接触式温度监测装置，如红外成像仪。

与现有的对碳基导电膜进行外部传热处理相比，本发明有如下优点：

(1)焦耳热处理方法与一般外热相比，在同样的处理温度下可使导电膜体积电阻率降低的更多，即处理效果更加显著。

(2)一般外热处理方法是靠从外向内的传热，处理温度不均一，导致导电膜内部产生应力，影响导电膜的机械性能；焦耳热处理方法由于是导电膜自身产热，所以对导电膜的处理更加均一，可以有效避免上述问题。

(3)本发明所需热处理装置非常简单，操作方便，处理过程容易控制，耗时短，体积电阻率降低明显，处理过程效率高；而外热处理需要加热设备，热处理效率较低。

(4)本发明可以对户外固定物件表面的碳基导电膜进行热处理，如石油管道；对复杂的大型工业器械表面碳基导电膜进行热退火处理，而这对外热处理是难以实现的，即可以扩展热处理的适用范围。

附图说明

为了使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供附图构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起解释本发明，并不构成对本发明的限制，对附图进行如下说明：

图1通电焦耳热处理装置示意图；

图2实施例1中石墨烯/环氧树脂导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图3相同的处理温度(130℃)和处理时间(30分钟)时焦耳热处理和一般外热处理后导电膜体积电阻率的对比图

图4实施例1中石墨烯/环氧树脂导电膜在通电焦耳热处理前后的表面SEM对比图(a：处理前，b：处理后)；

图5实施例2中多壁碳纳米管/环氧树脂导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图6实施例3中炭黑/环氧树脂导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图7实施例4中石墨烯/聚氨酯导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图8实施例5中多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图9实施例6中炭黑/聚氨酯导电膜在通电焦耳热处理前后体积电阻率变化图；

图中，1-可调节稳压电源，2-采集仪采集电流用导线，3-数据采集仪，4-采集仪采集电压用导线，5-夹持电极，6-碳基导电膜，7-热电偶。

具体实施方式

本发明的实施例不能理解为对本发明的限制，仅为几个优选的实施例，保护范围仍以权力要求书中所公开的内容为准。

通电焦耳热处理的方法如下：将碳基导电膜夹在电极之间，电极与碳基导电膜之间涂导电银浆，对碳基导电膜进行稳定电压焦耳热处理，施加的电压为5～1000V，或者稳定温度的焦耳热处理，通过不断的调整施加电压值的大小来控制碳基导电膜的发热温度，进行焦耳热处理的温度为70～180℃；断开电源，冷却碳基导电膜，对于冷却速度可进行快速冷却，自然冷却和缓慢冷却。

本发明所采用的通电焦耳热处理装置，该装置包括：可调节稳压电源，导线，夹持电极、电压电流检测装置和温度监测装置组成；可调节稳压电源为直流稳压电源或者交流稳压电源，夹持电极是将电极粘在夹子内侧，将夹子夹在导电膜上即可实现导电膜与电极的良好接触；温度监测装置为接触式温度监测装置，如热电偶及其显示装置，或者非接触式温度监测装置，如红外成像仪。

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合实施例和附图进一步详述。

实施例1

对石墨烯/环氧树脂导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中石墨烯含量为15wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×1厘米，测试该样品处理前体积电阻率为110Ωcm，用夹持电极将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，接通电源，施加电压85V达到130℃，开始焦耳热处理，根据温度监测装置的温度反馈，通过可调节稳压电源不断调整电压保持其温度在130±2℃，施加在导电膜上的电压以数据采集仪显示数据为准，处理时间30分钟，最后所需施加电压为77V，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为24.1Ωcm，降低了78.1％。

实施例2

对多壁碳纳米管/环氧树脂导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中碳纳米管含量为35wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×2厘米，测试该样品处理前体积电阻率为14.44Ωcm，将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，对其进行100℃、10分钟的通电焦耳热处理，施加电压从79V不断调整降低到70V，以保持其温度控制在120±2℃，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为3.28Ωcm，降低了77.3％。

实施例3

对炭黑/环氧树脂导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中炭黑含量为45wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×2厘米，测试该样品处理前体积电阻率为2.13Ωcm，将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，对其进行120℃、10分钟的通电焦耳热处理，施加电压从70V不断调整降低到66V，以保持其温度控制在120±2℃，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为1.64Ωcm，降低了23.2％。

实施例4

对石墨烯/聚氨酯导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中石墨烯含量为15wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×2厘米，测试该样品处理前体积电阻率为1.95Ωcm，将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，对其进行90℃、10分钟的通电焦耳热处理，施加电压从29V不断调整降低到28V，以保持其温度控制在90±2℃，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为1.73Ωcm，降低了11.4％。

实施例5

对多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中碳纳米管含量为15wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×2厘米，测试该样品处理前体积电阻率为30.94Ωcm，将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，对其进行90℃，10分钟的通电焦耳热处理，施加电压从130V不断调整降低到122V，以保持其温度控制在90±2℃，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为22.03Ωcm，降低了28.8％。

实施例6

对炭黑/聚氨酯导电膜进行通电焦耳热处理，导电膜中石墨烯含量为45wt％，导电膜测试样品大小为2厘米×2厘米，测试该样品处理前体积电阻率为0.85Ωcm，将导电膜接入通电焦耳热处理装置中，对其进行90℃、10分钟的通电焦耳热处理，施加电压从45V不断调整降低到43V，以保持其温度控制在90±2℃，断开电源，自然冷却到室温(25±2℃)，测试样品体积电阻率为0.8Ωcm，降低了5.3％。

Claims (9)

1.一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法，其特征在于：所述降低碳基导电膜体积电阻率的方法是对导电膜进行焦耳热处理，即对碳基导电膜施加超出其通常使用电压时导电膜产生高于其通常工作温度的温度来对导电膜本身进行焦耳热处理的过程。

2.一种降低碳基导电膜体积电阻率的处理装置，其特征在于：该装置是实施权利要求1所述的通电焦耳热处理方法的对应装置，装置由可调节稳压电源、导线、夹持电极、电压电流检测装置以及温度监测装置组成。

3.根据权利要求1所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法，其特征在于：所述施加超出其常规使用电压，该电压为0.01～10000V，优选的，电压为5～1000V。

4.根据权利要求1所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法，其特征在于：所述高于导电膜通常工作温度的焦耳热处理温度为50～400℃，优选的，焦耳热处理温度为70～180℃。

5.根据权利要求1所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法，其特征在于：对碳基导电膜进行通电焦耳热处理包括如下步骤：a)将需要通电焦耳热处理的碳基导电膜接入焦耳热处理装置；b)：连接电源，施加确定的电压处理温度在权利要求3所述的温度范围内波动或者保持确定的焦耳热处理温度而不断的调整所施加的电压，电压在权利要求2所要求的电压范围内；c)：断开电源，冷却碳基导电膜。

6.根据权利要求5所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的方法，其特征在于：对碳基导电膜进行通电焦耳热处理包括的步骤c)中所述的断开电源，冷却碳基导电膜，对于冷却速度可进行快速冷却，自然冷却和缓慢冷却。

7.根据权利要求2所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的处理装置，其特征在于：所述的可调节稳压电源为直流稳压电源或者交流稳压电源。

8.根据权利要求2所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的处理装置，其特征在于：所述的夹持电极是将电极粘在夹子内侧，将夹子夹在导电膜上即可实现导电膜与电极的良好接触。

9.根据权利要求2所述一种降低碳基导电膜体积电阻率的处理装置，其特征在于：所述的焦耳热处理装置中的温度监测装置为接触式温度监测装置，如热电偶及其显示装置，或者非接触式温度监测装置，如红外成像仪。