高分子PTC材料学位论文(华中科技大学 博士)part 06.pdf

35 3 HDPE CB 复合材料的基本组成 根据组成的不同能够产生 PTC 现象的聚合物基复合材料有很多种如选择聚 合物基体可以有聚丙稀氯化聚乙烯环氧树脂聚偏氟乙烯聚苯乙烯丁腈橡 胶尼龙6乙丙橡胶聚醋酸乙烯聚乙烯等选择导电填料可以有碳黑石墨 碳纤维金属粉及其化合物等还有各种各样的辅助填料等等影响聚合物基复合 材料 PTC 性能的因素也有很多如复合材料的混合方法成型方法后处理方法等 等作为有 PTC 功能的材料首先要求其室温电阻率越小越好这里我们以 HDPE CB作为研究体系在混合方法成型方法后处理方法等条件一定时考察 在不同的碳黑含量润滑剂含量交联剂含量阻燃剂含量及抗氧剂含量时对复 合材料室温电阻率的影响以期得确定在室温下有比较小的电阻率的复合材料的组 成 3 1 碳黑含量对样品室温电阻率的影响 在相同的共混条件和模压条件下只考察复合材料中导电填料碳黑CB含量 对样品室温电阻率的影响得到样品的室温电阻率与碳黑含量的关系如图 3 1 所示 从实验结果知不同碳黑含量的复合材料对应的室温电阻率也不同在碳黑含量 较小时 样品的室温电阻率非常大 基本是绝缘的 而当碳黑含量达到一定值 36wt 以上时样品的室温电阻率随着碳黑含量的增而迅速降低这种现象可以用渗滤效应 得到解释 7 即复合材料的导电性不是随着碳黑含量的增加而成比例的增加在碳黑 含量比较小的时候随着碳黑含量的增加复合材料的电阻率起初仅仅略有下降这 可能是因为这时碳黑含量太小还不足以在绝缘的 HDPE中形成连续的导电链所以 复合材料电阻率很大而当碳黑含量增加到某一临界值时碳黑在复合材料中形成了 导电链引起复合材料的电阻率急剧下降在电阻和碳黑含量的关系曲线上出现一个 狭窄的突变区在此区域内碳黑含量的微小变化都会引起复合材料电阻率的明显改 变这种现象称为渗滤效应使复合材料电阻明显改变时碳黑含量的临界值称为渗滤 36 域值本体系中此值为 36wt 在突变区域之后曲线又变得比较平缓样品电阻率 随碳黑含量的继续增加而改变不大此时如果进一步增大碳黑含量则体系的电阻率 也不会随着碳黑含量的增加而继续减小反而在复合材料混炼加工过程因为碳黑含量 过多塑性变差混合加工过程变得比较困难不利于复合材料的均匀混合 3 2 润滑剂含量对样品室温电阻率的影响 保持复合材料中 HDPE 和润滑剂硬脂酸锌总含量为 50 5wt 其他组分总含量 为 49 5wt 得出硬脂酸锌含量对复合材料室温电阻率的影响如图 3 2 所示 在复合材料中加入润滑剂的目的主要是为了使样品的混合加工过程更容易进 行并有利于样品中的各组分混合均匀在实验的取值范围内随着增塑剂含量的 增加复合材料的加工混合过程变得更加容易也会使样品中各组分的混合也更加 均匀这样由碳黑形成的导电链在复合材料中的分布也越平均导电性增强即随 着复合材料中润滑剂含量的增加样品的室温电阻率逐步减小通常在工业上实际 37 加工过程中加入润滑剂的量一般为 26wt 为宜本实验中当硬脂酸锌含量达到 6wt 以上时复合材料的室温电阻率下降得也不多而趋于稳定 3 3 交联剂含量对样品室温电阻率的影响 加入交联剂的目的是为了使 HDPE 发生一定程度的交联这样一方面可以使 样品中的碳黑尽可能地固定在 HDPE 形成的交联网格中减少因为温度上升到熔融 温度后产生的 NTC 效应 Negative Temperature Coefficient 负温度系数效应 另一 方面 HDPE产生交联后也可以使样品的抗氧化性和抗紫外线能力得到提高 从而提 高样品的使用寿命从实验结果看样品的室温电阻率随着交联剂过氧化二异丙苯 含量的增加而增加当交联剂含量达到 2wt 以上时样品的室温电阻率基本不变 说明在交联剂含量达到 2wt 时 HDPE的交联已经达到饱和 产生这种现象的原因是 在没有加交联剂时碳黑导电微粒可以在复合材料中比较自由的移动当碳黑 38 的含量超过其临界域值时就比较容易在复合材料中形成导电链所以表现出来的电 阻率就小而当复合材料中含有交联剂后 HDPE线形分子就会在样品中形成一定 的交联网络从而将部分碳黑固定在交联网络其而不能自由移动这样被固定 了的碳黑就对形成的导电链没有贡献所以除去这些被固定的碳黑后能够形成导电 链的碳黑含量就相对减少所形成的导电链也相应的减少复合材料表现出来的室 温电阻率就大些尽管当样品中不含交联剂时其室温电阻率是最小的但是在较高 温度下长期使用时其性能也会因为样品在比较高的温度下使用时发生的热氧化作 用以及填充剂在样品中发生的比较自由的迁移现象而严重影响其室温电阻率的 稳定性所以在复合材料中加入少量的交联剂是合适的一般小于 1wt 3 4 阻燃剂含量对样品室温电阻率的影响 因为样品的最高承受温度可以达到 160或者更高的 180而 HDPE在高温下 又是容易燃烧的为安全起见需要在样品中要加入一定量的阻燃剂以防止 HDPE 39 基复合材料因为过热而发生燃烧我们考察了样品中阻燃剂氢氧化铝的含量对复合 材料室温电阻率的影响 根据实验结果 在保持 HDPE和氢氧化铝的总含量为 51wt 时样品中阻燃剂的含量以 517 左右时复合材料室温电阻率较小氢氧化铝本身 不具有导电性产生这种现象是因为当氢氧化铝含量增加时 HDPE 的含量则减少 就增加了碳黑在 HDPE 中的相对含量从而在单位体积内形成导电通道的密度也相 对较多增强了样品的导电性 3 5 抗氧剂含量对样品室温电阻率的影响 抗氧剂的加入主要是为了减慢复合材料发生氧化降解或者紫外线降解的速度 增强样品性能的稳定性提高样品的使用寿命除 HDPE 外保持样品其它物质的 比例不变改变复合材料中抗氧剂 246 的含量得到样品的室温电阻与抗氧剂含量 之间的关系如图 3 5 所示抗氧剂的熔点低于混合加工的温度在加工过程中抗氧 剂除保持聚合物稳定外还有一定的润滑作用当抗氧剂含量为 1 53 时样品的 40 室温电阻率较小 图 3 6 压制好的 HDPE CB 复合材料样品 Fig3 6 Pressed film of HDPE CB composites 41 3 6 本章小结 作为应用型高分子基 PTC 复合材料一般要求其室温时是电的良好导体在某 个相应的特征转变温度后又变为绝缘体这样复合材料的 PTC 特征就明显所以 一般要求复合材料在室温时的电阻率越小越好PTC 强度越大越好