CN109294465A - 一种常温热控用柔性高分子基ptc材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种常温热控用柔性高分子基PTC材料及其制备方法，该材料包括嵌段共聚物、相变基体及导电填料，其中所述的嵌段共聚物与相变基体的质量比为(20∶80)～(40∶60)，所述导电填料的质量比例小于80％；本发明在石蜡和石墨粉或导电炭黑的复合材料中加入嵌段共聚物作为支撑材料，并通过调整各组分的配方，使得制备出的材料产生PTC效应的居里温度为‑10～40℃，有较好的柔性且能实现薄膜化，能够应用于电子器件的主动控温及其他常温热控领域，弥补了目前常温热控PTC材料的不具备柔性和无法制备成薄膜的主要缺陷。

Description

一种常温热控用柔性高分子基PTC材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种常温热控用柔性高分子基PTC材料及其制备方法。
背景技术
PTC材料是一种具有正温度系数的热敏半导体材料，材料的电阻值在温度较低时内保持基本不变或仅有较小变化，而当温度超过居里温度时，材料的电阻值随着温度的升高急剧升高。正温度系数材料按材料的基质不同，可以分为陶瓷基PTC材料和高分子基PTC导电复合材料。其中高分子基PTC材料具有制备简单，成本低等优势，目前被广泛研究与应用。
目前高分子PTC材料多为最为简单二元复合结构，是以高分子聚合物为基体，内部填充导电材料如石墨粉、炭黑、多壁碳纳米管等，这种结构导致了材料在使用过程中容易出现不稳定，泄露等问题，而且材料的居里温度偏高，一般在50-400℃之间，这样的一些缺点使高分子基PTC材料不能够很好的应用在常温热控领域。程文龙等人在2013年申请的常温热控用复合PTC材料的发明专利以及于2014年发表的文章A new kind of shape-stabilized PCMs with positive temperature coefficient(PTC)effect中提出了一种新型常温高分子基PTC材料，其结构为石蜡或其他烷烃作为相变基体，低密度聚乙烯作为支撑材料，石墨粉作为导电填充物。这种材料虽然可以实现室温居里温度，但是由于其材料呈刚性，无法薄膜化等问题，并不能得到很好的实际应用。
近年来，电子计算机行业发展迅速，对热控的要求也随之提高。由PTC材料作为加热电阻的主动热控***渐渐成为主流。在目前高端的电子通讯领域，例如5G通讯，Grace重力场卫星等领域，热控问题成为了阻碍该领域发展的一个重要问题。然而目前已开发的室温PTC材料并不足以应用到高精度主动热控***中，需要对室温PTC材料的性能进行进一步的优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：针对现有室温PTC材料无法实现柔性以及无法实现材料薄膜化导致无法实际应用于常温高精度温控的问题，提供一种常温热控用柔性高分子基PTC材料及其制备方法，同时保证所制备材料具有较好的柔性以及可以将材料制备成薄膜状。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，包括嵌段共聚物、相变基体及导电填料，其中所述的嵌段共聚物与相变基体的质量比为(20∶80)～(40∶60)；所述导电填料的质量比例小于80％。
进一步，所述的嵌段共聚物为乙烯辛烯嵌段共聚物，其密度为0.800-0.900g/cm3。
进一步，所述的相变基体为石蜡或烷烃类物质；其中所述的石蜡为固体石蜡；所述烷烃类物质为正十四烷～正二十二烷中的一种。
进一步，所述的导电填料为石墨粉、导电炭黑、膨胀石墨、多壁碳纳米管、石墨烯、镀银玻璃微珠、导电碳纤维中的任意一种或混合物。
进一步，所述的导电填料为石墨粉，所述石墨粉末(GP)的颗粒度≥95％，粒径≤30um；所述的石墨粉在所述常温热控用柔性高分子基PTC材料中的质量分数为30-50％。
进一步，所述的导电填料为导电炭黑，所述导电炭黑(CB)的比表面积为10-3000m2/g；所述的导电炭黑在所述常温热控用柔性高分子基PTC材料中的质量分数为5-20％。
进一步，一种常温热控用柔性高分子基PTC材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在120-170℃条件下，将嵌段共聚物、相变基体在真空条件下熔融混合，并搅拌均匀；
(2)往步骤(1)的反应物料中再加入导电填料，并在120-170℃、真空条件下，搅拌混合均匀，得到混合料；
(3)将步骤(2)的混合料放入模具中压制成型，冷却至室温，即得。
进一步，所述步骤(3)中将步骤(2)的混合料放入模具中利用热压机压制成厚度大于0.1mm的薄膜PTC材料。
本发明技术有益效果：根据常温高分子基PTC材料PTC效应的产生机理，在石蜡和石墨粉或导电炭黑的复合材料中加入嵌段共聚物作为支撑材料，并通过调整各组分的配方，使得制备出的材料产生PTC效应的居里温度为-10～40℃，且具有较好的柔性和能够薄膜化的常温热控用柔性PTC材料。此外，这种常温热控用复合PTC材料的制备原料来源广泛、制备方法简单可行，所制备出的PTC材料具有较好的PTC特性以及柔性，能够较好的应用于电子器件的主动控温及其他常温热控领域，弥补了目前室温PTC材料不具备柔性且无法薄膜化的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例1所述石蜡基柔性PTC材料的电阻率ρ随温度T变化曲线图；
图2a为本发明实施例2为所制备的十八烷基柔性PTC材料室温下未施压状态示意图；
图2b本发明实施例2为所制备的十八烷基柔性PTC材料室温下施压后状态示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
以下实施例所用材料的来源说明如下：
乙烯辛烯嵌段共聚物(OBC)的密度为0.887g/cm3，由美国陶氏公司提供；石蜡为固体石蜡(熔点44-46℃)，由日本Wako化学试剂公司提供；正十八烷、正二十烷和正十七烷由阿拉丁试剂有限公司提供；石墨粉末(GP)的颗粒度≥95％，粒径≤30um，由国药集团化学试剂有限公司提供；炭黑(CB)的比表面积为45m2/g，由合肥科晶材料技术有限公司提供。
实施例1
一种常温热控用柔性高分子基PTC材料的具体制备操作步骤如下：
(1)将45g乙烯辛烯嵌段共聚物(OBC)和105g石蜡加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度150-170℃、转速300转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
(2)再加入100g石墨粉末(GP)，在温度150-170℃、真空条件下，以转速300转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
(3)将混合料通过热压机压制成直径为30mm厚度5mm的圆片样品，冷却至室温定型，静置3-5小时，待其结构稳定，即可得片状的石蜡基柔性PTC材料；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用柔性高分子基PTC材料产品。
表1为所制备的石蜡基柔性PTC材料的各组分质量比例及其低温电阻率ρ(ρ为材料在10℃时的电阻率)。
表1石蜡基柔性PTC材料的各组分质量比例及其低温电阻率ρ
石蜡质量分数 石墨粉质量分数 OBC质量分数 OBC/石蜡质量比 低温电阻率
42％ 40％ 18％ 30∶70 1862Ω.cm
在10℃至50℃范围内，以1.2℃/min加热速率给PTC材料样品加热，测得其电阻率ρ随温度T变化曲线，如图1所示，纵坐标取ρ的以十为底的对数形式表示。从图1中可以看出，该PTC样品的居里温度在22℃左右，符合室温居里温度的要求，可以看到在10℃时低温电阻率为1800Ω.cm左右，显著小于普通石蜡基PTC材料。
实施例2
一种常温热控用柔性高分子基PTC材料的具体制备操作步骤如下：
(1)将45g乙烯辛烯嵌段共聚物(OBC)和105g正十八烷加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度150-170℃、转速300转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
(2)再加入100g石墨粉末(GP)，在温度150-170℃、真空条件下，以转速300转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
(3)将混合料通过热压机压制成140mm*70mm*0.8mm的薄膜，冷却至室温定型，静置6-8小时，待其结构稳定，即可得薄膜状十八烷基柔性PTC材料。
对形成的十八烷基柔性PTC材料进行三点压实验，测试其柔性，如图2a所示为未施压时十八烷基柔性PTC材料的状态示意图，图2b为施压后的十八烷基柔性PTC材料的状态示意图，通过对比可看出该材料在室温下保持良好的柔性。
实施例3
一种常温热控用柔性高分子基PTC材料的具体制备操作步骤如下：
(1)将45g乙烯辛烯嵌段共聚物(OBC)和135g石蜡加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度150-170℃、转速300转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
(2)再加入20g导电炭黑(CB)，在温度150-170℃、真空条件下，以转速300转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
(3)将混合料通过热压机压制成直径为30mm厚度5mm的圆片样品，冷却至室温定型，静置3-5小时，待其结构稳定，即可得片状的石蜡基柔性PTC材料；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用柔性高分子基PTC材料产品。
表2为所制备的石蜡基柔性PTC材料的各组分质量比例及其低温电阻率ρ(ρ为材料在10℃时的电阻率)。
表2石蜡基柔性PTC材料的各组分质量比例及其低温电阻率ρ
石蜡质量分数 炭黑质量分数 OBC质量分数 OBC/石蜡质量比 低温电阻率
67.5％ 10％ 22.5％ 25∶65 1143Ω.cm

Claims (8)

1.一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，包括嵌段共聚物、相变基体及导电填料，其中所述的嵌段共聚物与相变基体的质量比为(20∶80)～(40∶60)；所述导电填料的质量比例小于80％。
2.根据权利要求1所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，所述的嵌段共聚物为乙烯辛烯嵌段共聚物。
3.根据权利要求1所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，所述的相变基体为石蜡或烷烃类物质；其中所述的石蜡为固体石蜡；所述烷烃类物质为正十四烷～正二十二烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，所述的导电填料为石墨粉、导电炭黑、膨胀石墨、多壁碳纳米管、石墨烯、镀银玻璃微珠、导电碳纤维中的任意一种或混合物。
5.根据权利要求4所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，所述的导电填料为石墨粉，所述的石墨粉在所述常温热控用柔性高分子基PTC材料中的质量分数为30-50％。
6.根据权利要求5所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料，其特征在于，所述的导电填料为导电炭黑，所述的导电炭黑在所述常温热控用柔性高分子基PTC材料中的质量分数为5-20％。
7.一种制备权利要求1-6任意一项所述的常温热控用柔性高分子基PTC材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在120-170℃条件下，将嵌段共聚物、相变基体在真空条件下熔融混合，并搅拌均匀；
(2)往步骤(1)的反应物料中再加入导电填料，并在120-170℃、真空条件下，搅拌混合均匀，得到混合料；
(3)将步骤(2)的混合料放入模具中压制成型，冷却至室温，即得。
8.根据权利要求7所述的一种常温热控用柔性高分子基PTC材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中将步骤(2)的混合料放入模具中利用热压机压制成厚度大于0.1mm的薄膜PTC材料。
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