填充型导电高分子材料的研究与应用.

•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IDP (Inherent Dissipative Polymer) • 填充型导电高分子材料 • ICP (Inherent Conductive Polymer)
填充型聚合物导电材料的研究与应用
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1012Ω
颜色深
弯曲模量低 价格昂贵 易氧化、不耐腐蚀、比 重大 加工困难，化学性质不 稳定，环保、健康
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)
填充型聚合物导电材料的导电机理
a b c
Percolation Theory
σ σ 0 (Φ Φ C )
0
C
t
导电粒子的电阻 复合体系的电阻
临界体积/重量含量 普适临界指数
t
a
b
c
ICP( Inherent Conductive Polymer)
聚乙炔 聚苯胺
聚吡咯
聚噻吩
不同导电填料聚合物性能的比较
调节聚合物与导电粒子之间的相容性； 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
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
X X+ Y X
导入可反应端 基的导电粒子
Y Y
X = -COOH etc Y = -OH, -NH2, -NCO, etc
Y
•

表面化学接枝（小分子或高分子）
SAXS, SANS：碳黑的粒径，表面积、
•√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：8~300nm（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
碳黑填充型聚合物导电材料 导电性的影响因素
聚合物 类型 聚合物/ 碳黑作用
聚合物 形态
导电性
碳黑类型
成型条件
碳黑分散
成型方法
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
U ff U fp
U ff U fp
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
四、碳系材料填充导电聚合物
• • 1. 2. 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 Particle •Aggregate •Agglomerates ~10nm ~submicron ~micron
碳黑的基本特征与表征
导电填料 金属盐 碳黑 体积电阻 (cm) 102 10-2 优势 浅色 缺点 填充量大，40%以上
高性价比，用途广泛， 颜色深，不适用于洁净 重量轻，耐腐蚀，导 场所 电性可调
石墨
碳纤维 碳纳米管 金属粉末 ICP
10-4
10-3 10-6 10-6 10-4
对体系流变性影响小
强度高 增强、导热 导电性能好 导电性好
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 AFM EFM
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，109~1014
•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
聚合物
导电物质 导电 聚合物
金属纤维 金属粉末 碳材料 金属盐 IDP
不同结构度碳பைடு நூலகம்导电行为的比较
PC/碳黑
HDPE/碳黑
碳黑结构度顺序：E350G>E260G>E250G
碳黑填充聚合物导电材料的应用领域
碳黑填充聚合物主要作用ESD材料使用，其表 面电阻一般为：106~109Ω
• • • • •
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、排污） 纤维（纺织品、地毯） 薄膜（包装、农业、建筑、防护）
•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；