填充型导电高分子材料的研究与应用.ppt

1、填充型聚合物导电材料的研究与应用,中国科学院宁波材料技术与工程研究所,报告目录,一、高分子材料的静电与危害 二、聚合物导电材料制造方法与种类 三、填充型聚合物导电材料的分类 四、碳系材料填充导电聚合物 五、主要研究目标 六、主要研究内容与方法 七、考核目标 八、研究所需主要设备,一、高分子材料的静电与危害,高分子材料的电阻特性 绝大多数为绝缘体，表面电阻大于1012 高分子材料的静电危害 高分子材料的静电积聚与静电放电 （走过合成纤维地毯：35000V；翻阅塑料说明书7000V） 静电放电对静电敏感材料的危害 轻质油品, 火药, 固态电子器件,二、聚合物导电材料制造方法与种类,抗静电剂型和ID

2、P (Inherent Dissipative Polymer) 填充型导电高分子材料 ICP (Inherent Conductive Polymer),抗静电剂型和IDP,抗静电机理： 传导或吸收静电荷并使其消散在大气中 润滑作用，減少高分子材料与其他材料见摩擦力的产生；,缺点： 表面电阻高，1091014 依赖于环境湿度（RH40%以上） 导电物质的表面聚集，耐久性差、手感不好,填充型聚合物导电材料,金属纤维 金属粉末,IDP,填充型聚合物导电材料的导电机理,Percolation Theory,ICP( Inherent Conductive Polymer),聚乙炔,不同导电填料聚合

3、物性能的比较,三、填充型聚合物导电材料的分类,分类标准：依据材料的体积电阻或表面电阻 抗静电型 静电放电型(ESD, Electrostatic Dissipative) 电磁波干扰屏蔽型(EMI, Eletromagnetic Interference),四、碳系材料填充导电聚合物,导电碳黑、石墨和碳纤维 新型碳材料的应用 气相生长碳纤维 碳纳米管,碳黑填充聚合物材料,碳黑的形态 Primary Particle10nm Aggregate submicron Agglomeratesmicron,碳黑的基本特征与表征,结构与聚集尺寸：形状与聚集体的支化度（DBP值；图像分析） 粒径：830

4、0nm（吸碘、吸氮值） 表面活性（STM) 孔隙率： 物理形态,碳黑表面的STM图,高结构碳黑的结构特征 高支化度 高DBP值（170ml/100g) 高“空洞”体积,高结构碳黑的TEM照片,高结构碳黑的性能特点,较长的混合时间 较好的分散性 较高的挤出速度 较高的硬度 较高的模量 较低的拉伸强度、撕裂强度 更灵活的复合方式 更好的表面石墨化程度 低填充条件下的高导电性,不同结构度碳黑导电行为的比较,PC/碳黑,HDPE/碳黑,碳黑结构度顺序：E350GE260GE250G,碳黑填充聚合物导电材料的应用领域,电子工业（传送带、IC托架、ESD薄膜） 电缆（电力、通讯） 管材（水、天然气、灌溉、

5、排污） 纤维（纺织品、地毯） 薄膜（包装、农业、建筑、防护）,碳黑填充聚合物主要作用ESD材料使用，其表面电阻一般为：106109,碳黑填充型聚合物导电材料导电性的影响因素,碳黑分散状态对导电性的影响,碳黑分散状态与碳黑-碳黑、碳黑-聚合物分子间作用力的关系,与聚合物浸润性差，碳黑自聚严重，阻碍导电网络的形成,与聚合物相容性好，聚合物在碳黑表面形成表面层，碳黑过度分散，在基体中形成孤立的岛状结构,解决方法与难点：对碳黑表面进行化学改性，使表面同时具有和聚合物不同相容性的区域或基团，调节上述两种作用力，使处于一个中间状态。,碳黑的表面处理方法,表面化学接枝（小分子或高分子） 调节聚合物与导电粒子

6、之间的相容性； 有分子链的阻隔，可以防止导电粒子的凝集； 有分子链的连接，导电粒子之间互相牵制，使导电粒子难以迁移。,表面化学氧化 表面等离子体处理 偶联剂处理,聚合物类型与碳黑分散的关系 聚合物的极性 聚合物的表面张力 聚合物的平均偶极矩,降低,较低的临界浓度含量,不同加工技术对碳黑分散的影响,模压成型：热力学控制过程，基本无剪切，链的布朗运动， 分子链的扩散；易在材料表面形成导电网络 注射成型：动力学控制过程，剪切作用大，碳黑导电网络的破坏,加工工艺条件对碳黑分散的影响,混合工艺：混合温度与时间，降低体系的粘度、减小剪切作用、缩短混合时间，避免碳黑的过度分散与结构破坏； 纤维成型：纺丝线上

7、张力的控制；纤维成颈过程中温度、速度的控制；拉伸过程中拉伸倍数的控制；,聚合物形态对碳黑分散的影响,结晶：碳黑存在与聚合物的非晶区，结晶使碳黑分布空间缩小，使有效填充体积增大，碳黑堆积更加紧密，使导电性提高。 取向：使碳黑发生取向排列，各向异性增强，导电性有所改善。,碳黑在基体中分散状态的表征方法,图像分析法 TEM SEM Optical Microscopy AFM EFM: 采用导电探针 SAXS, SANS：碳黑的粒径，表面积、 聚集度、表面分形指数 SIMS: 碳黑表面活性、碳黑/聚合物相互作用 流变学性能测定：振荡剪切、动态力学测试 导电性测定：在碳黑填充量一定的情况下，导电性决定

8、于碳黑的分散状况,AFM,EFM,低临界浓度碳黑填充聚合物导电材料的研究,聚合物形态学的改变 不相容聚合物/碳黑三相体系,形成双连续相结构，可以使不同聚合物的性能产生协同作用 基于双重逾渗效应，碳黑只要能够选择性地分布于某一连续相中或分布于两相的连续界面上就能够大幅度地降低临界浓度含量，在保证材料导电性的同时，大幅改善力学与加工性能。,微相分离结构（热塑性弹性体）,与共聚物特定链段的相互作用，有利于碳黑的局部富集，利用发生微相分离后，相结构的连续性，也可以达到降低碳黑填充量的目的。,PU发生微相分离的AFM照片,其它碳材料填充聚合物导电材料,具有较大的长径比，因此在较低的填充量下，复合材料就能

9、获得较好的导电性，因此加工性能优越； 导电结构依靠化学键结合，对各种加工方法的适应性好； 由于导电成分本身的导电性能好，因此可以弥补目前碳黑型不能用于EMI材料的缺陷； 除了具有导电性以外，还能赋予材料导热、高强的性能。,碳黑填充聚合物导电材料的其它用途,PTC( Positive Temperature Coefficient )材料,在聚合物熔点附近，晶区熔融，分子链活动加剧，有效填充含量降低，碳黑发生聚集和迁移，导致导电网络的变化，从而引起电阻的变化。,用途：熔断器，自温控调节器，加热原件,化学传感器（Chemical Sensor）,五、主要研究目标,碳黑导电纤维的研制 根据目前国产导

10、电纤维的研究和开发现状，针对制约其质量与水平提高的关键因素进行研究；目前主要以通过碳黑的表面化学改性方法，控制碳黑在基体中的分散程度，并努力降低碳黑的添加量，改善填充体系的加工性能；在此基础上，通过对纺丝工艺参数的研究，寻求兼顾纤维导电性与力学性能的工艺条件； 研制聚酯基导电纤维，针对碳黑易引起聚酯的分子量降解问题，提出解决方案。 石墨/聚合物导电材料的研究 由于石墨本身具有比碳黑更优的导电性、导电结构稳定性和一定的导热性能，加之纳米插层制备复合材料技术的逐步完善，主要通过对不同插层剂、不同插层方法的研究，制备石墨/聚酯导电复合材料。 石墨/聚酯复合材料的制备导电纤维的探索。 多嵌段共聚物在导

11、电纤维领域的应用 主要研究热塑性聚氨酯和聚醚酯的化学组成、形态变化对材料导电性的影响，为高弹性导电纤维的研制做好积累。,填充型聚合物导电材料的功能器件研制 充分的市场调研，掌握企业需求，对现有产品的缺陷进行分析，找到进入该领域的切入口。 新型碳材料在聚合物导电材料领域的应用基础研究 先期以VGCF为起点，主要开展VGCF在不同聚合物体系、不同混合工艺条件下的分散技术； 紧跟国内CNT产业化步伐，积极准备CNT在功能器件方面的文献与产业调研。,VGCF的聚集状态照片,六、主要研究内容与方法,碳黑的表面处理 主要以表面氧化、化学接枝、偶联剂处理为主，研究处理方法对碳黑结构度、与基体聚合物相容性的关

12、系； 碳黑在拉伸过程中，特别是成颈过程中的形变的机理 研究碳黑/聚酯的相互作用及降解抑制方法 研究不同表面处理碳黑与聚酯的相互作用与降解动力学，力图通过适当的表面处理与抗氧化剂相结合的方法，抑制分子量的降低； 纳米材料/聚酯/碳黑三元体系的采用，利用纳米材料的增强作用，弥补由于分子量下降导致的材料力学性能的变劣；同时考察纳米材料对复合体系导电性的影响； 插层法制备石墨/聚合物复合材料的研究 石墨的剥离，了解剥离前后材料导电性的变化程度； 不同氧化剂、插层剂对原位插层聚合反应的影响；控制剥离后石墨片层的尺寸；采用双螺杆挤出制备石墨/聚合物导电复合材料；,七、主要考核指标,形成聚酯、聚酰胺导电纤维的生产技术，纤维的主要性能指标如下： 表