导电金属纤维在塑料中的应用

科研团队
团队名称 纤维新材料
带头人 肖长发、徐乃库
研究内容
吸油纤维、UHMWPE纤维改性、压力响 应性PU中空纤维膜、PVDF中空膜等
高技术纤维
新型纤维材料与产品开发
张兴祥
程博闻、丁长坤
熔纺PAN纤维、调温蓄热纤维等
导电纤维、生物源纤维、阻燃纤维、 相变纤维、功能非织造布等
生物与纺织材料
生物源纤维 高性能复合膜及其应用研究
POLYMER COMPOSITES, 2002, 23, 1003-1013 (Taiwan)
国内外研பைடு நூலகம்现状及关键技术问题
The critical concentrations of volume required for this escalation-called percolation threshold range between 20 and 25 vol% for both the metal/thermoplastic hybrid material and the polymer exclusively filled with copper. 15 wt% (56 vol%) polyamide 6 33 wt% of a low-melting tin/zinc alloy with a melting point of 199℃ 52 wt% of fine copper fibers (average length: 0.65 mm, diameter: 35 um)
常用金属纤维
铜纤维
银纤维
镍纤维
不锈钢纤维
金属纤维填充导电塑料的制备
⒈预处理 除去纤维表面粘附的灰尘和杂质，然后用清水漂 洗干净。 ⒉表面处理 增强纤维与聚合物的相容性和结合程度 改善加工性能和机械强度 降低导电位垒和提高材料导电性能 表面活性剂、硅烷（有机硅）偶联剂和钛酸酯偶 联剂等
⒊混料 ⑴单螺杆挤出机 剪切作用较小，纤维分散不易均匀。 ⑵双螺杆挤出机 剪切作用大 提高螺杆转速和延长混炼时间有助于纤维 分散均匀 可能会降低纤维长径比
1vol%，突降
大
大
高结晶度聚合物比低结晶度聚合物导电性好
混炼时间的影响
混炼时间 2min 2~6min ＞8min 纤维长度 2~5mm 较大长径比 ＜1mm 分散状态 未分散开，呈团束状 好 好 导电性 差 好 差
谭松庭等．金属纤维/聚合物导电复合材料的性能研究．材料工程，1998，(12)：15-17，38
POLYMER COMPOSITES, 2002, 23, 1003-1013 (Taiwan)
国内外研究现状及关键技术问题
Correlation between resistivity and LSSF content as a function of distance from injection point for PP/1.66% v/v LSSF (depth 0.5 mm).
Journal of Applied Polymer Science, 2006, 100, 3280–3287 (France, Germany)
国内外研究现状及关键技术问题
SEM observation of transverse cut in zone 1 and 2 respectively, from right to left.
国内外研究现状及关键技术问题
The SE values of the SSF filled composites with various lengths and weight percentages. SE increases with weight percentage and fiber length.
安树林
尹翠玉、宋俊 张宇峰、陈英波
芳香纤维、药物缓释纤维等
新溶剂法纤维素纤维制备技术、聚酯 纤维改性 PE基人工肺用中空纤维膜、纤维素纤 维新溶剂法、储能纤维等
2009年度国家科技进步二等奖
中国纺织科学研究院 天津工业大学 总后勤部军需装备研究所
复合型导电纤维系列产品研制与应用开发
获奖人：程博闻, 施楣梧, 李杰, 黄庆, 丁长坤, 盛平厚, 肖长发, 杨春喜, 金欣, 崔宁
直线位移传感器
笔记本电脑
位移传感器
导电镊子
手机壳
电位器
抗静电中空板
金属纤维特性 电磁波屏蔽材料：10-3-100Ω·cm
良好的导电性、导热性 柔韧性和耐蚀性 大长径比和接触面积 易形成导电网络 导电塑料的导电率高
金属纤维的制造方法
⒈拉拔法 金属纤维表面光滑，尺寸精确。但工序复杂， 生产周期长，价格昂贵。 ⒉切削法 以固态金属为原料，用刀具将其切削成纤维 屑。方法简单，生产周期短，成本较低。但纤维截 面不易均匀、光滑。 ⒊熔抽法 从液态金属直接生产金属纤维。成本较低， 需专门设备。
Journal of Applied Polymer Science, 2006, 100, 3280–3287 (France, Germany)
当前需要解决的问题
⒈如何提高金属纤维在聚合物基体中的分散 性，在保证复合材料导电性能的前提下，降 低导电填料用量； ⒉如何在金属纤维用量较大以提高导电性能 的同时，保持或增强复合材料的力学性能、 成型加工性能和其它性能。
Photo of the LSSF after complete burning of the PP matrix.
纤维缠结，呈无规线团，而不是硬棒状或螺旋
From left to right, spherulites of PP and cylindrites of PP/0.56% v/v LSSF isothermally crystallized at 135℃ for 21 min.
科研特色
学校现有专任教师1500余人，其中具有高级 职称人员700余人，特聘两院院士和国外兼职教 授50余人 。 学校产学研结合走出特色之路。形成了以纺 织复合材料、中空纤维膜分离技术、特种功能纤 维材料、纺织油剂助剂、半导体照明与材料、机 电设备集成制造等研究为特色的科研优势，多项 科研成果被成功应用于节能环保、新材料等国家 战略性新兴产业和国防高科技产业。
Polymer Engineering and Science, 2009, 49, 1511–1524 (Germany)
国内外研究现状及关键技术问题
电阻率均匀性
Photograph of 4 wt% 6mm SSF orientation and its final contents in the matrix observed at locations from the gate to the remote end of the mold at (a) low injection speed, (b) high injection speed.
金属纤维填充导电塑料的制备 ⑶流变仪 可使纤维有一定长径比且分散较均匀， 但生产能力有限。
金属纤维填充导电塑料的制备
⒋成型 注射时宜降低螺杆转速和注射压力 提高机筒和模具温度 可加入适当的加工助剂 纤维在流动过程中有取向 纤维适宜的长径比:40-200
国内外研究现状及关键技术问题 填充量与渗滤阀值 逾渗现象( Percolation) ：普遍存在于粒子填充 型聚合物复合材料中，是指当填充粒子达到一 定的浓度时，体系的某种物理性质发生突变的 行为。 不锈钢纤维：6%~9%（体积分数）时，复合 材料体积电阻率下降5~6个数量级，导热系数 增大 。
学校现有
一级学科博士点： 2个 二级学科博士点： 14个 一级学科硕士点： 17个 二级学科硕士点： 71个 专业硕士： 4个 工程硕士授予领域： 15个 本科专业： 49个 高职专业：5个 博士后流动站：2个
国家重点学科： 1个 天津市“重中之重”学科： 3个 天津市重点学科： 8个 天津市重点发展学科： 1个 国家级特色专业： 6个 省部共建国家重点实验室培育基地： 1个 教育部重点实验室： 2个 天津市重点实验室： 4个 教育部工程研究中心： 2个 天津市工程技术中心： 3个 天津市技术推广中心： 1个
POLYMER COMPOSITES, 2002, 23, 1003-1013 (Taiwan)
Photographs showing dispersion of 4 wt% SSF in composites molded with the same ring gate angles (120°) and injection speed (60%) for different lengths. (a) 4mm, (b) 6 mm.
长度的影响没有含量大
POLYMER COMPOSITES, 2002, 23, 1003-1013 (Taiwan)
国内外研究现状及关键技术问题
SEM photomicrographs of the cross section of composites filled with NGF and SSF: (a) the short NGF lie side by side hard to form conductive net; (b) the SSF twist and bend to form conductive net.
范五一．表面改性对不锈钢纤维/HDPE复合材料性能的影响 ． 高分子材料科学与工程，1997，13(2) ：104-108
国内外研究现状及关键技术问题
纤维 铜纤维 基体聚合物 ABS 填充量与渗滤阀值 9vol%以上，突降 长径比 小
不锈钢纤维
不锈钢纤维
ABS和HIPS
PP
4vol%以上 1015→104Ω·cm
纤维越长越容易团聚
The SSF distribution in the cross section of the composite with 120° ring gate. The optical micrographs taken (a) near the surface, (b) between the surface and the central part, (c) near the center of the part.
2012.04.21
上海
导电金属纤维在塑料中的应用
丁长坤
天津工业大学 材料科学与工程学院
Email: dingchangkun@tjpu.edu.cn
天津工业大学简介
天津工业大学是教育部与 天津市共建、天津市重点建设 的全日制普通高等学校。
学校目前总占地面积 230.8102万平方米，总建筑面 积97.0527万平方米。