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新材料领域:轻质高强高导电阻燃聚烯烃复合材料

文章来源: 发布时间: 2018-07-27

  所处阶段: 中试 

  成果来源:固体物理所 

  必要性及需求分析: 

  聚烯烃类高分子材料因其质轻、易加工,化学稳定性好而广泛应用于国民经济各领域。但其电绝缘性在应用中可能产生静电积累,进而发生静电泄漏、电磁波和射频干扰,妨碍了在一些场合的使用。填充型导电性塑料是在聚合物基体内混入不同填料和/或抗静电剂,如碳黑、纤维、金属粉末、金属纤维、石墨、纳米碳管等,通过分散复合而制成导电塑料聚合物,以其设计自由、质量轻、成本低、成型加工容易、适于大批量生产等优点,在体型聚合物产品中广泛应用。目前已被广泛应用于电子、能源、化工、宇航等领域。 

  炭黑(CB)是最常用的导电填料,原料易得、质轻,其体积电阻率约为0.1Ω·cm,聚合物/炭黑复合型导电材料可以实现多种功能,成本低,具有永久导电性,根据填充量不同,可以灵活调节复合材料的电阻率。其导电机理是炭黑填料在聚合物体系中形成导电网络。但由于炭黑粒径在纳米尺度,团聚问题较为突出,要形成导电网络所需要的添加量大,对材料的力学性能有非常大的削弱作用,因此要得到电性能均一、稳定,且材料机械性能受损小的导电聚合物,关键在于导电填料的选择和分散加工方式的运用。 

  随着导电材料使用环境的变化,对导电材料的发展也提出了新的要求:高导电性、稳定性、可加工性和较好的力学性能。复合材料多功能化。除具有导电性能外,还应具有优良的阻燃性、阻隔性、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦等性能。 

   目标及主要任务: 

  (一)目标 

   解决高导电与高阻燃必然需要高含量功能填料,而这通常会导致机械性能急剧变差的关键问题,获得同时具有高导电、高阻燃和高强度的功能型聚烯烃复合材料。 

   (二)主要任务 

   运用纳微米改性和复合分相增强技术,通过粒子的选择性分布调控,成功构建了良好的阻燃、导电网络的同时,改善了机械性能,达到了综合性能的完善。 

   现有工作基础: 

  运用纳微米改性和复合分相增强技术研制的导电纳米复合聚丙烯材料管材,能够使导电碳材料在聚合物基体中形成密集的导电网络,且能根据不同的导电性需求,其电阻值可在10-109Ω之间的宽广范围内有较大的调节余地,阻燃级别V0-V2可调,同时力学性能仍保持纯树脂相当的水平。克服了当前市场上导电、阻燃性提高,力学性能急剧下降的问题。导电性持久、稳定,耐加工性能好,是理想的抗静电材料。将阻燃与增强方面两个授权发明专利的技术应用于该材料的制备中,具有完全自主知识产权。前期部分研究顺利地经过了中试试验,实现了实验室的小试结果,掌握了放大工艺加工的关键技术。使得配方可以根据加工要求调控。可以利用目前市场的主要加工设备进行生产线的建设。 

  主要指标:拉伸强度>30 MPa;断裂伸长率(%) 10-20;抗弯强度40-50 MPa;缺口冲击强度  1.5-3.0 J/cm2;体电阻率<5 *cm;阻燃性能:V0-V2 

  预期经济和社会效益: 

  以静电除尘上的应用为例:近些年随着经济的发展,随着全国性大范围雾霾天发生情况加剧,环境保护中的粉尘治理尤其是针对我国数量最多的使用燃煤企业的治理PM2.5排放方面的需求日益突出。治理PM2.5排放设备中的关键装置上,各种材质高强度导电阻燃高分子管材为国外公司所垄断,但多数价格昂贵,安装条件苛刻,高强度导电阻燃聚烯烃管材作为质优价廉的新型产品,可以替代进口材料用于国产静电除尘设备中,提升国产除尘设备的水平和竞争力。初步估计,全国仅火电机组就在一万台套以上,加上其他采用燃煤动力的企业,产品市场前景看好。 

  如果加上在电子、能源、化工、宇航等领域的应用,市场前景更为广阔。 

  实施方式/模式: 

  积极寻求与相关企业或社会资本合作,实施成果产业化,具体合作模式可多元化。 

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