不同炭黑对聚丙烯_炭黑复合材料导电性能的影响 (1)

助 剂

不同炭黑对聚丙烯/炭黑复合材料导电性能的影响

李　莹,王仕峰,张　勇,张隐西

(上海交通大学高分子材料研究所,上海200240)

摘　要:研究了四种不同的导电炭黑与聚丙烯复合制得的复合材料的体积电阻率与炭黑含量的关系,确定了复合体系中炭黑的渗滤阈值。用扫描电镜(SEM)观察了不同炭黑含量的复合材料的断面形貌,用透射电镜(TEM)观察分析了四种炭黑的结构及粒径,并对其比表面积进行了测定。结果表明:炭黑不同,得到的复合材料的渗滤阈值有很大差别。炭黑结构性越高,比表面积越大,粒径越小,其导电性能越好,得到的渗滤阈值越低。特别是具有空壳结构的炭黑,其渗滤阈值明显低于其他三种炭黑。

关　键　词:聚丙烯;导电炭黑;体积电阻率;渗滤阈值

中图分类号:TQ325.1+4,TQ330.38+1 文献标识码:B 文章编号:1001Ο9278(2004)10Ο0063Ο04

E ffect of Different Types of C arbon Black on Electrical

Properties of Polypropylene/C arbon Black Composites

L I Y ing,WAN G Shi2feng,ZHAN G Y ong,ZHAN G Y in2xi

(Research Institute of Polymer Materials,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China)

Abstract:The relationship between volume resistivity and carbon black content of polypropylene/carbon black composites for four different conductive carbon blacks was studied.The percolation thresholds were measured.Morphology of the composites with different carbon black content was studied with SEM.The structure and particle size of these carbon blacks were observed and analyzed by means of TEM.Their surface area was also measured.The results showed that the larger the surface area and the smaller the particle diameter of the carbon black,the lower the percolation threshold.Especially,the carbon black with a hollow structure possessed a significantly lower percolation threshold than those of other three.

K ey w ords:polypropylene;conductive carbon black;volume resistivity;percolation threshold

以炭黑为导电填料的复合型导电和抗静电高分子材料电性能持久稳定,性能易调节,成本低,因而广泛应用于电子、石油化工等领域。在这类复合材料中,随着炭黑粒子浓度的增加,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,出现由绝缘性到导电性的性质突变。这一临界值被称为渗滤阈值(percolation thresh2 old)[1]。

影响渗滤阈值的因素较多,包括炭黑的结构与形状[2,3]、炭黑的分布[4～6]、聚合物基体与炭黑的相互作

收稿日期:2004Ο05Ο27用[3,7]、成型方法和加工条件[4,8]等。本文着重研究了不同的炭黑及用量对聚丙烯/炭黑复合材料导电性能的影响,并从炭黑的结构、比表面积、粒径角度对几种炭黑导电性能的差异做了分析。

1　实验部分

1.1　主要原料

聚丙烯,M1600,韩国HYUNDAI公司;

导电炭黑,V2XC72,美国CABO T公司;

特导电炭黑,HG21P,山东临淄华光化工厂;

超导电炭黑,S L230,中橡集团炭黑工业研究设计院;

乙炔炭黑,河南奇昌化工有限公司。

第18卷　第10期中　国　塑　料Vol.18,No.10 2004年10月CHINA PLASTICS Oct.,2004

1.2　主要设备

转矩流变仪,RC90,德国Haake 公司;

平板硫化机,X LB 2D ,浙江湖州宏图机械有限公司;高阻计,ZC36,上海精科六表;低阻测试装置,自制;

扫描电子显微镜,S 22150,日本HITACHI 公司;透射电子显微镜,J EM 1002CX ,日本J EOL 公司;比表面积分析仪,ASAP 2010,美国Micromeritics 公司。1.3　样品制备

将聚丙烯和炭黑在80℃烘干4h 。然后将干燥好的聚丙烯分别与四种炭黑按照一定的比例混合均匀,在Haake 转矩流变仪中于190℃和30r/min 条件下密炼10min 。将混合好的试样在平板硫化机上于190℃和15MPa 热压5min ,再冷压5min 得到1mm 和4mm 厚的试片。并将4mm 试片制成90mm 长、10mm 宽的试样。1.4　性能测试

体积电阻率高于108

Ω・cm 时,按G B 1410—78标

准,用高阻计测试体积电阻率。体积电阻率低于108Ω・cm 时,按G B/T 15662—1995标准,用按该标准组装的测试装置测试体积电阻率;

将试样在液氮中淬断,断面经表面喷金后用扫描电镜进行形貌观察;

称取适量炭黑,置于盛有氯仿的试管中,进行超声波分散。吸取少量经超声振荡后的最终分散体,滴于覆有支持膜的铜栅网中心。待试样干燥后,用透射电镜观察炭黑的结构,根据透射电镜照片分析各种炭黑的平均粒径。测量200个以上的粒子直径大小,计算算术平均粒径;

按照ASTM D4820标准,用比表面积分析仪测定炭黑的低温氮吸附比表面积(多点B ET 法)。

2　结果与讨论

2.1　炭黑种类与用量对复合材料电性能的影响

图1为分别填充不同种类炭黑(CB )的聚丙烯(PP )复合材料的体积电阻率与炭黑含量的关系曲线。

其中,炭黑含量为占

100份PP 基体的质量份数。

1—V 2XC72　2—SL 230　4—乙炔炭黑　5—HG 21P

图1　不同炭黑填充复合体系的体积电阻率

与炭黑含量的关系

Fig.1　Resistivity versus CB content in PP/CB composites

filled with different types of CB

由图1可以看出,填充不同种类炭黑的聚丙烯复合材料的体积电阻率随炭黑含量的变化出现了大致相同的趋势。在炭黑含量较低时,体积电阻率基本没有变化或变化很小;随着炭黑含量的增加,体积电阻率缓慢下降;当达到渗滤阈值时,体积电阻率大幅度下降,形成一段比较陡峭的曲线,说明此时大多数炭黑粒子的距离接近到足以与相邻粒子接触或通过电子跃迁形成连续的导电通路或导电网络,因而出现体积电阻率突变;而超过渗滤阈值后,复合体系的体积电阻率变化又趋于平缓。

用扫描电镜对填充不同含量V 2XC72的PP/CB 复合材料的断面形貌进行观察

,由电镜照片可以解释上述曲线的规律,如图2所示。

炭黑含量/%:(a )2.0　(b )5.3　(c )11.1　(d )25.0

图2　PP/V 2XC72复合材料的液氮淬断断面的SEM 照片

Fig.2　SEM micrographs of freezed fractured surfaces of PP/V 2XC72composites filled with different CB content

由图2可以看出,CB 含量为PP 基体的2%时,炭

黑粒子(以聚集体形式存在)在绝缘性树脂基体中孤立地分散,相邻的粒子之间距离较大,电子在复合体系中移动时仍会遇到绝缘的聚合物基体,因而不会导电,体

　・64　・不同炭黑对聚丙烯/炭黑复合材料导电性能的影响