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导电复合材料.doc

导电复合材料

smile小男人
2019-01-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《导电复合材料doc》,可适用于工程科技领域

导电复合材料的制备及应用浅析摘要:随着电子工业及信息技术等产业的迅速发展对于具有导电功能的高分子材料的需求越来越迫切。本文详细介绍了导电高分子材料的分类介绍了导电复合材料的导电填料的种类及性质总结了复合型导电高分子材料的制备方法和应用情况。关键词:复合型导电高分子材料制备及应用前言通常高分子材料的体积电阻率都非常高约在Ω·cm之间作为电器绝缘材料使用无疑是非常优良的。但是随着科学技术的进步特别是电子工业、信息技术的迅速发展对于具有导电功能的高分子材料需求愈来愈迫切。世界各国无论是学术界还是产业界都在积极地对这一新兴功能材料进行研究与开发。关于导电高分子的定义到目前为止国内外尚无统一的标准一般是将体积电阻率ρV小于Ω·cm的高分子材料统称为高分子导电材料。其中将ρV在Ω·cm之间的复合材料称为高分子抗静电材料将ρV在Ω·cm之间的称为高分子半导电材料将ρV小于Ω·cm的称为高分子导电材料。按照结构和制备方法的差异又可将导电高分子材料分为结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。结构型导电高分子材料(或称本征高分子导电材料)是指分子结构本身能导电或经过掺杂处理之后具有导电功能的共扼聚合物如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。复合型导电高分子材料是指以聚合物为基体通过加入各种导电性填料(如炭黑、金属粉末、金属片、碳纤维等)并采用物理化学方法复合制得的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。目前结构型导电高分子材料由于结构的特殊性与制备及提纯的困难大多还处于实验室研究阶段获得实际应用的较少而且多数为半导体材料。复合型导电高分子材料因加工成型与一般高分子材料基本相同制备方便有较强的实用性故已较为广泛应用。本论文主要研究了复合型导电高分子材料的制备以及应用。复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料概述复合型导电高分子材料在工业上的应用始于世纪年代。复合型导电高分子材料是采用各种复合技术将导电性物质与树脂复合而成的。按照复合技术分类有:导电表面膜形成法、导电填料分散复合法、导电填料层压复合法三种。复合型导电高分子材料的分类方法有多种。根据电阻值的不同可划分为半导电体、除静电体、导电体、高导电体。根据导电填料的不同可划分为碳系(炭黑、石墨等)、金属系(各种金属粉末、纤维、片等)。根据树脂的形态不同可划分为导电橡胶、导电塑料、导电薄膜、导电粘合剂等。还可根据其功能不同划分为防静电、除静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料。导电复合材料具有质轻、不锈、耐用、导电性能稳定、易于加工成型为多种结构的产品、可以在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低、适于大规模大批量生产等特点。与结构型导电高分子材料不同导电高分子复合材料大都已经过实验室研究阶段而进入了工业化生产阶段其应用普遍受到越来越多用户的欢迎。复合型导电复合材料几种导电理论复合型导电复合材料主要是通过在这类聚合物中添加抗静电剂或导电填料来制备导电复合材料。由于加抗静电剂的导电复合材料导电性不稳定因此目前主要利用加导电填料来制备各种聚合物基导电复合材料。其导电机理有如下几种理论:()导电通道学说此学说认为导电填料加到聚合物后不可能达到真正的多相均匀分布总有部分带电粒子相互接触而形成链状导电通道使复合材料得以导电。这种理论已被大多数学者所接受。()隧道效应学说尽管导电粒子直接接触是导电的主要方式但Polley和Boonstra利用电子显微镜观察后发现炭黑填充橡胶的复合体系存在炭黑尚未成链且在橡胶延伸状态下亦有导电现象。通过对电阻率与导电粒子间隙的关系研究发现粒子间隙很大时也有导电现象这被认为是分子热运动和电子迁移的综合结果。()电场发射学说Beek等人研究了界面电压电流非欧姆特性问题。他们认为由于界面效应的存在当电压增加到一定值后导电粒子间产生的强电场引起了发射电场促使电子越过能垒而产生电流导致电流增加而偏离线性关系。由此提出“电场发射理论”。聚合物基导电复合物材料的实际导电机理是相当复杂的但现阶段主要认为是导电填料的直接接触和间隙之间的隧道效应的综合作用。导电填料的种类导电填料的种类很多常用的可分为炭系和金属系两大类。炭系填料包括炭黑、石墨和碳纤维等金属系主要有铝、铜、镍、铁等金属粉末、金属片和金属纤维。()碳系填料填充导电复合材料碳系导电填料有炭黑、碳纤维、石墨等。目前炭黑在聚合物基导电复合材料上的应用最为广泛因为它不仅价格低而且加入量少导电性也好。大量研究表明炭黑粒子的尺寸越小结构越复杂炭黑粒子比表面积越大表面活性基团越少极性越强则所制备的导电复合材料导电性越好。如用粒度为μm的乙炔炭黑填充玻璃纤维增强的树脂时仅需的体积含量导电复合材料的体积电阻率就能下降到Ω·cm且随着炭黑含量的增加其弯曲强度下降这是由于炭黑与树脂的相容性差加入后影响了树脂与玻璃纤维界面粘接加入量越多这种影响越明显。现在对炭黑填充聚合物基导电复合材料的研究已从传统的改变炭黑的用量转向通过提高炭里的质量来提高其导电复合材料的导电性能。如对炭黑进行高温处理不仅可以增加炭黑的比表面积而且可以改变其表面化学特性。用钛酸酯偶联剂处理炭黑表面在改善复合材料导电性能的同时还能提高熔体流动性和材料的力学性能。另外新型导电炭黑也在进一步的研究之中。除炭黑之外石墨也是常用的导电填料之一。石墨的导电性不如炭黑优良而且加入量较大对复合材料的成型工艺影响比较大但能提高材料的耐腐蚀能力。石墨主要有石墨粉和片状石墨两种石墨粉的分散性较好易形成导电通道而片状石墨体积较大虽会对树脂起增强作用但不易形成均匀体系材料的稳定性不易控制某些性能重现性差而且加入量过大时片状石黑与树脂形成的界面处容易产生应力集中而使材料强度下降。碳纤维也是一种较好的导电填料其导电性介于炭黑和石墨之间而且它具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐辐射、耐高温等多种优良性能。用碳纤维增强的不饱和聚酯、环氧、酚醛等复合材料已广泛应用于航空航天军用器材及化工防腐领域。但碳纤维加工困难、成本高在一定程度上限制了它的发展。()金属系填料填充导电复合材料金属系填料包括金属粉末和金属纤维但金属粉末含量一般在(体积)左右时才会使材料电阻率达到导电复合材料的要求这必然使复合材料的力学强度下降。另外由于金属的密度远大于非金属的密度因此在复合材料的成型过程中容易出现分层或不均匀现象影响材料质量稳定性。常用的金属粉末有铝粉、铁粉、铜粉、银粉、金粉等。铝粉价格低但铝的活性太大其粉末在空气中极易被氧化形成导电性极差的ALO氧化膜即使加入量很大时也不易形成导电通道。银粉、金粉虽然导电性优良但价格昂贵由此限制了其广泛使用。故现阶段应用最广的为铁粉、铜粉。金属粉末粒径的大小对导电复合材料的电阻率影响也较大相同条件下金属粉末粒径越小越易形成导电通道达到相同电阻率所需金属粉的体积含量越小。与金属粉相比金属纤维的应用更为广泛。将金属纤维填充到基体聚合物中经适当工艺成型后可以制成导电性能优异的复合材料其体积电阻率为Ω·cm。它们不仅可以在较少加入量的条件下达到理想的导电效果还能较大幅度地提高复合材料的强度。并且该复合材料比传统的金属材料质量轻、易加工因此被认为是最有发展前途的新型导电材料和电磁屏蔽材料金属纤维填充聚合物基导电复合材料将是以后研究的重点之一。现在国内外应用较多的是黄铜纤维其次是不锈钢纤维和铁纤维。黄铜纤维导电性能优良仅需的体积含量就能使体积电阻率小于Ω·cm屏蔽效果达dB。不锈钢纤维作为填料不仅强度高成型时不易折断能保持较大的长径比而且抗氧化性好能使导电性能持久稳定。另外复合纤维填充聚合物基复合材料也在不断研究和应用之中。如钢铝复合纤维就是挤压成型过程中将钢丝周围包覆不同厚度的铝这样既保持了铝的导电性又提高了复合材料的强度。还有镀镍石墨纤维不仅使制备的复合材料有Ω·cm的电阻率而且也具有较好的增强效果及电磁屏蔽效果在航空领域已被广泛应用。复合型导电高分子材料的制备方法导电填料分散复合法导电填料分散复合法主要用来制造导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂等。可用于此方法的导电填料有炭黑、碳纤维、金属纤维、金属化玻璃纤维、金属化碳纤维、金属箔片、带条、镀银玻璃球及其它各种新型导电填料。导电填料分散复合法是制备导电复合材料最常用的方法。用导电填料分散复合法制备导电复合材料的步骤为:()选择导电填料和基体树脂()配料()共混()成型(挤出、注射、模压等)()电性能检测。导电填料分散复合法存在的问题主要有:()导电填料在制品中的分布往往不均匀从而使制成品各处的电导率不一致()导电填料与基体树脂之间的粘结性一般较差尤其当导电填料含量较高时这一情况尤为明显。而导电填料与基体树脂之间粘结不好则会使成型后的导电复合材料制件的机械性能大大下降。解决导电填料分布不均匀问题的方法一般是在共混时尽量使导电填料在基体树脂中分布均匀而解决导电填料与基体树脂之间粘结问题则要在配方中加入偶联剂及其它加工助剂同时在制品电学和力学性能不下降的情况下尽量减少导电填料的用量。所以确定合适的配方开发性能优良的偶联剂及其它加工助剂研制新型导电填料是解决这一问题的出路。导电填料层积复合法导电填料的层积复合法是将碳纤维毡金属丝网等导电层与塑料基体层叠合层压在一起从而得到导电塑料的方法。除了碳纤维毡、金属丝网外镀金属的织物、金属化的塑料薄膜等也可以作为中间层从而与塑料基材形成夹芯结构。AornKasei公司制造了底层是添加铝箔片的塑料层、上层是不加铝箔片的塑料层的导电塑料制品。美国道化学公司研制了金属化的PC薄膜与ABS薄膜树脂形成的层积复合塑料其电磁屏蔽效果为dB。cbaotBeigimu公司研制了由低成本导电聚苯乙烯芯层和未填充导电填料的PPO面层制造的层积复合导电塑料用于一种计算机的罩壳。

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