内容发布更新时间 : 2025/1/6 18:45:30星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

导电塑料的研究进展

摘 要: 概述了导电塑料的导电原理,阐明了导电塑料的种类和影响导电的因素,分析了不同导电塑料的制备方法、工艺研究等,最后综述了导电塑料的应用领域以及发展趋势,并进行了展望。

关键词: 导电塑料;导电原理;制备方法;应用

导电塑料广泛应用于半导体、防静电材料、导电性材料等领域,

可分为结构型和填充型。结构型导电塑料是高聚物本身或经掺杂之后具有导电性的材料,而填充型导电塑料是本身不具有导电性,但通过加入导电性填充物获得导电性的材料,它是由电绝缘性能较好的合成树脂、塑料和具有优良导电性能的填料及其它添加剂通过混炼造粒, 并采用注射、压塑或挤出成型等方法制得 。目前90 %以上导电塑料属于复合型。本文综述的是复合型导电塑料。导电填料一般选用纤维状与片状导电材料,包括金属纤维、金属片材、导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、金属合金填料等。其中导电炭黑和碳纤维是应用最广的两种导电填料。常用的合成树脂有聚乙烯( PE) 、聚丙烯( PP) 、聚苯乙烯( PS) 、聚碳酸酯( PC) 、乙烯2醋酸乙烯共聚物( EVA) 、丙烯腈2丁二烯2苯乙烯共聚物( ABS) 、尼龙( PA) 、聚酯

(PET) 、聚苯醚(PPO) 、聚硫醚( PPS) 和高性能热塑性塑料合金等。 1 导电塑料的导电原理 1. 1 渗滤理论

复合材料的电导率在一定导电填料浓度范围内的变化是不连续的,在某一温度下材料电阻率会发生突变,表明此时导电粒子在聚合物基体中的分散状态发生了突变 ,即当导电填料达到一定值时,导电粒子在聚合物基体中形成了导电渗滤网络,导电粒子的临界体积分数称为渗滤阀值。

1. 2 有效介质理论

有效介质理论是处理二元无规对称分布体系中电子传输行为的有效方法,无规非均匀复合材料的每个颗粒看作处于相同电导率的一种有效介质中。导电填充粒子能填充满复合材料中所有的空穴和空间,并且绝缘相具有高的绝缘性 。 1. 3 量子力学隧道理论

在二元组分导电复合材料中,当高导组分含量较低(在渗滤阀值附近) 时,隧道导电效应对材料的导电行为影响较大。材料导电依然有导电网络形成的问题,但不是靠导电粒子直接接触来导电,而是电子在粒子间的跃迁造成的。隧道效应

能合理地解释聚合物基体与导电填料呈海岛结构复合体系的导电行为。量子力学隧道导电理论能与许多导电复合体系的实验数据相符,证明是讨论和分析复合材料导电行为的有力工具 。 2 复合型导电塑料的种类 2. 1 炭黑填充型导电塑料

炭黑是一种天然的半导体,其体积电阻率为0. 1～1 000Ω ·cm。炭黑资源丰富、价格低廉,导电性能持久稳定,可大幅改善材料的导电性

能,易加工,对塑料有增强作用。因此,炭黑填充导电塑料是目前用途最广、用量最大的一种填充型导电塑料。影响炭黑导电性能的因素主要有炭黑的粒径、结构、表面状态等。控制炭黑的粒径在适当范围,才能使炭黑在塑料中良好地分散,并增加塑料中单位体积内炭黑粒子数,提高塑料的导电性能。炭黑的结构由聚集体的尺寸、形态和每一聚集体中粒子数量所决定,组成聚集体的粒子越多,形成网状结构的几率越大,导电性越好。炭黑的表面状态也影响导电塑料的导电性能[7 ] 。在生产炭黑过程中,其表面常形成一些活性含氧基团。这些基团影响电子的迁移,使导电性下降,可采用p H值来表征该项指标。表面官能团少的炭黑通常呈弱碱性或中性。对炭黑导电性起决定作用的是表

面性能,即表面活性基团的多少。由于活性基团会束缚载流子的迁移,降低导电性。因此,导电塑料不宜选用含活性基团较多的炭黑。 (1) 炭黑结构性

炭黑结构性是炭黑粒子与粒子之间形成链状结构的程度。组成炭黑聚集体的粒子越多,结构性越高,形成网状导电结构的几率越大,导电性越好。高结构性炭黑比低结构性炭黑的聚集体具有较发达的链接和纤维结构,堆积时更松散,孔隙较多。对于导电炭黑,结构性越高,其链接结构越容易在聚合物基体中相互接触,交织连接形成空间导电网络,导电性较好。结构性高的炭黑具有较大的孔隙率,一般用吸油值(DBP) 来表征炭黑的孔隙率,即结构性。DBP 小于0. 9 mL/ g 为低结构;DBP 在0. 9～1. 2 mL/ g 为中结构;DBP 大于1. 2 mL/ g 为高结构。

(2) 比表面积

比表面积越大,炭黑粒子尺寸越小,单位体积内的颗粒就越多,越容易彼此接触形成网络通路,因此导电性就越高。 (3) 炭黑p H 值

在炭黑生产过程中炭黑表面常形成一些含氧的官能团,它的存在影响了电子的迁移,使导电性下降。表面官能团少的炭黑呈弱碱性或中性,因此,炭黑p H 值高,导电性强。 (4) 渗滤阀值

在导电复合材料中,随着炭黑用量的增加,复合体系的体积电阻率逐渐减小,当炭黑浓度达到某一临界值时,复合体系的体积电阻率突然急剧减小,出现由绝缘体到导电体的突变。这一临界值被称为渗滤阀值。不同的炭黑、不同体系的聚合物、不同的聚合物结构、不同的加工工艺得到的渗滤阀值也不相同。渗滤阀值越小,性能越好。 (5) 增容树脂

导电塑料由于其显著的聚合物基正温度系数(PTC) 效应,是应用最广泛的复合材料之一,这类具有正温度系数的导电材料,在一定的转变温度下,共混材料的电导率会在渗滤阀值附近迅速降低到一极限值(可增大1. 5～8 个数量级) ,产生几个数量级的跳跃,发生从(半) 导体到绝缘体的相互转变。由于炭黑的加入,对材料的加工性能有着显著的影响,为了在导电率和可加工性之间寻得平衡,需要加入增容树脂。李晓林研究不同含量EVA 增容树脂对HDPE/ EVA/ CB 复合材料 性能的影响。炭黑在复合材料中存在于HDPE相中,EVA 的加入增加了

复合材料的室温电阻率,同时,提高了材料的熔体指数。当EVA 质量分数在37 %～50 %之间时,可以得到较理想的加工性与导电性能的平衡点 。杨波在导电炭黑/聚丙烯(PP) 体系中加入质量分数约20 %的乙烯2丙烯酸共聚物( EAA) 时,炭黑与EAA 有较好的亲和性,可使炭黑选择性分散在EAA 中,体系的

电阻率降低了8 个数量级[9 ] 。目前,炭黑填充型导电塑料领域的研究和开发主要集中在炭黑填料的改性、新型导电炭黑的开发和纳米炭黑等方面。对炭黑改性通常是进行高温热处理,以增加炭黑表面积,并改善表面化学特性;用高温裂解法从石油和焦油中制得的导电炭黑是一种新型导电炭黑。其比表面积达900～1 400 m2 / g ,孔隙率为80 %～90 %,灰分为0. 1 %～1. 5 % ,将其填充到线型低密度聚乙烯中,可使

复合材料的表面电阻率降至(0. 62～1. 10) ×104Ω ,而力学性能基本不变。国外的有美国Cabot公司、哥伦比亚化学公司和日本三菱化成公司生产超细导电炭黑,我国的中橡集团也生产塑料专用导电炭黑。它具有比表面积大、结构高、分散性好和导电性能好等优点。由于采用了特别的生产

工艺和使用了特殊的活性剂,更容易控制炭黑的形态(聚集体结构和空壳状外形等) 。新型炭黑虽然价格相对昂贵,但由于其导电率比普通炭黑高2～3 倍,只要很少的填充量就能满足材料的抗静电要求。因此,对基体聚合物的原有性能影响不大。纳米炭黑粒子比表面积大、极易团聚。为了