填充型导电材料的研究与应用.doc

填充型导电材料的研究与应用顾群 韦钢一、 高分子材料的静电及其危害绝大部分的高分子材料的表面电阻均大于1012 W，是典型的绝缘体材料。由于成型简单，价格低廉等优点，广泛使用于电子电器、化工建材、日常生活等几乎今天所有等各行各业之中。高分子材料也合其他固体材料一样，在接触、分离。摩擦的过程中会产生很高的静电，如走过化纤地毯时可达35000伏，穿脱衣服时可以达到10000伏，在翻阅塑料书籍时也有7000伏的静电。静电的危害很大，主要表现在静电放电和静电吸引两个方面。在静电放电时会对电子设备造成电磁干扰，导致故障、误动，甚至会击穿精密电子元件，如果静电放电发生在易燃易爆或粉尘油雾的环境中则容易造成爆炸或者火灾等。静电引力的危害主要在于容易造成尘土的吸附污染，或者在加工过程中发生黏结、缠结断头等，影响质量及加工。高分子材料在经过改性以及进一步的发展之后，可以有效地降低其电阻率，改善材料的抗静电性能，扩大并稳定了高分子的应用领域，同时也赋予了它更新的机能和更广泛的用途。二、 聚合物导电材料的制造方法及种类聚合物导电材料主要分为三个类型，即抗静电及IDP型，填充型和ICP型。抗静电及IDP型是通过在聚合物基体中添加抗静电剂来使聚合物导电的，它能够吸收并传导静电电荷，使之消散于大气之中。抗静电剂一般都具有润滑作用，可以减少聚合物材料与其它材料间的摩擦力，增强了抗静电作用。然而该类型的导电聚合物的电阻率在109-1014 W之间，使用环境需要40以上的相对湿度，而且在使用过程中，导电物质会逐渐迁移到材料表面，导致材料的耐久性和手感方面的问题。填充型导电聚合物是在聚合物基体中添加导电物质如金属粉末、纤维，碳材料，金属盐，IDP等，使原来不导电的聚合物也具备导电性能。复合材料电阻和导电粒子的电阻有如下关系：其中s是复合体系的电阻，s0是导电粒子的电阻，FC是临界体积/重量含量，t是普适临界指数。图一 导电粒子填充量与电阻的关系及导电机理图如图一所示，随着导电粒子填充量的增加，电阻值均下降，究其原因，导电粒子用量增加后，逐渐在聚合物基体中形成了导电通路。导电粒子的性状不同所制备的复合材料的电性能也不一样，详见表一。导电填料体积电阻 (Wcm)优势缺点金属盐10-2浅色填充量大，40%以上炭黑10-2高性价比，用途广泛，重量轻，耐腐蚀，导电性可调颜色深，不适用于洁净场所石墨10-4对体系流变性影响小颜色深碳纤维10-3强度高， 弯曲模量低碳纳米管10-6增强、导热价格昂贵金属粉末10-6导电性能好易氧化、不耐腐蚀、比重大ICP10-4导电性好加工困难，化学性质不稳定，环保、健康表一 常用导电填料的电性能优缺点ICP（Inherent Conductive Polymer）型导电聚合物适聚合物本身具有导电能力的聚合物材料，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。三、填充型导电聚合物的分类按照材料的体积电阻或表面电阻填充型导电聚合物可以分为抗静电型（体积电阻 107Wcm），静电放电型（体积电阻107Wcm）和电磁波干扰屏蔽型（EMI）（体积电阻 E260GE250G。实验表明，炭黑的结构度越高，其临界导电阈值就越低。（3）炭黑填充聚合物导电材料的应用a). 集成电路相关的领域的防静电、除静电需求。炭黑填充型导电塑料的电阻值可在102-109 间调节，完全可以满足该领域的使用，比如电子元器件在周转、保管、搬运过程中使用的周转箱、托盘、支架、封装等。b). 医疗、煤矿、纺织等洁净、易爆环境导电塑料在这些场合用作电器设备的外壳或结构件。c). 高压电缆、通讯电缆领域用的导电塑料作半导电层。这是为了缓和导体表面电位梯度，防止导体与半导体问的部分放电。这类材料的体积电阻为100-104cm。d). 面状发热体导电塑料还可以作为热源被利用。这是利用在导电塑料上施加电压，电流通过后电阻产生焦尔热量的原理，这类材料的体积电阻为100-104cm。在国外，碳系填充型导电塑料已经形成为一个十分成熟的市场，较大的生产厂商有美国的卡伯特公司、原联碳公司，日本的东芝化学、东丽、东洋油墨制造等,都占有相当的市场份额。在碳系导电复合材料中用量较大的是中、高压电缆的半导电层屏蔽料材料，国内的市场需求约为数千吨，其中高压电缆用料基本依靠进口。国内碳系填充导电塑料业虽已形成产业化，但在品种与质量稳定性等方面与国外有较大差距。在集成电路相关的导电塑料方面的工业化生产基本空白，目前大部分需要进口。4 (4) 炭黑填充聚合物导电材料导电性的影响因素影响炭黑填充型导电材料的主要因素有聚合物、炭黑以及它们之间的相互作用，材料的加工方法对导电性能也有影响。如图五所示，聚合物方面主要是聚合物的种类和形态，炭黑的影响主要在于种类，由于聚合物和炭黑的种类不同，两者之间的相互作用也不一样，分散性也就随之不同，在两种聚合物并用时的相分离也会给材料的导电性带来不同结果。此外成型方法以及成型工艺参数等，也都会对材料的导电性造成很大的影响。图五 影响复合材料导电性的主要因素（5）炭黑分散状态对导电性的影响炭黑在聚合物中的分散状况对材料的导电性能有着举足轻重的影响。如前所述，炭黑填充导电聚合物是依靠炭黑在聚合物中形成的导电网络来进行电的传导，而所用的高结构导电炭黑正是一种链状，分散过程中既要保证炭黑在聚合物基体中的均匀，又要保证这种链状构造不被破坏。这种效果取决于炭黑与炭黑，炭黑与聚合物分子之间的相互作用的关系。以Uff表示炭黑间的相互作用，以Ufp表示炭黑与聚合物间的相互作用，则：当UffUfp时，炭黑与聚合物分子的浸润性差，不能在聚合物基体内有效分散，炭黑容易自聚成团，阻碍聚合物内导电网络的形成与稳定，此时，复合材料导电性差。当Uff2.4cN/dtex；l 拥有针对不同聚合物的碳黑表面处理技术；l 与浙江企业合作进行导电纤维产业化运作；l 多嵌段共聚物/碳黑导电纤维生产技术的探索；l 石墨/碳黑导电材料的技术开发；l 新型碳材料的解离与分散技术。八 研究工作所需要的主要设备为了能把实验工作开展起来，目前还需要如下的设备：低剪切双螺杆挤出机，毛细管流变仪或螺杆式流变仪，高速搅拌机，熔融指数仪，高阻仪，表面电阻仪，高速离心机，真空干燥箱，超声波清洗仪等参考文献1 Piraulx L,Nysten B, Haquenne A, Issi J, Dresselhaus MS, and Endo M. Solid State Commun. 1984; 50: 697.2 Issi J, and Nysten B. Carbon fiber . Donnet J, Wong T, Peng J, and Rewbouillat S. Ed., Marcel Dekker, New York, N. Y. 1998, p.371.3 http:/www.sdk.co.jp/contents/news/news01/01-12-06.htm, 2005- 05-19.4 陈洵，新材料产业2002年第1期5 http:/www.sdk.co.jp/contents/news/news01/01-12-16.htm, 2005-05-19.6 /, 2005-05-28.7 吴翠玲，翁文桂，陈国华。膨胀石墨的多层次结构. 华侨大学学报 (自然科学版). 2003；24（2），147-150.8 /shownews.asp?id=80, 2005-05-28.9 Peng Xiao, Luyi Sun, Min Xiao, and Kedeng Gong. Preparation and properties of exfoliated graphite / polystyrene composite. Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 106.10 M Inagaki. Applications of graphite intercalation composites, J Mater, Res. 1989; 4(6): 1560.11 A Ce