導(dǎo)電復(fù)合材料

導(dǎo)電復(fù)合材料的制備及應(yīng)用淺析摘要：隨著電子工業(yè)及信息技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)于具有導(dǎo)電功能的高分子材料的需求越來(lái)越迫切。本文詳細(xì)介紹了導(dǎo)電高分子材料的分類(lèi)，介紹了導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電填料的種類(lèi)及性質(zhì)，總結(jié)了復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的制備方法和應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：復(fù)合型；導(dǎo)電高分子材料；制備及應(yīng)用；1.前言通常高分子材料的體積電阻率都非常高，約在1010-1020Ω·cm之間，作為電器絕緣材料使用無(wú)疑是非常優(yōu)良的。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于具有導(dǎo)電功能的高分子材料需求愈來(lái)愈迫切。世界各國(guó)無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界都在積極地對(duì)這一新興功能材料進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義，到目前為止國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般是將體積電阻率ρV小于1010Ω·cm的高分子材料統(tǒng)稱(chēng)為高分子導(dǎo)電材料。其中將ρV在106-1010Ω·cm之間的復(fù)合材料稱(chēng)為高分子抗靜電材料；將ρV在100-106Ω·cm之間的稱(chēng)為高分子半導(dǎo)電材料；將ρV小于100Ω·cm的稱(chēng)為高分子導(dǎo)電材料。按照結(jié)構(gòu)和制備方法的差異又可將導(dǎo)電高分子材料分為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料和復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料(或稱(chēng)本征高分子導(dǎo)電材料)是指分子結(jié)構(gòu)本身能導(dǎo)電或經(jīng)過(guò)摻雜處理之后具有導(dǎo)電功能的共扼聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是指以聚合物為基體，通過(guò)加入各種導(dǎo)電性填料(如炭黑、金屬粉末、金屬片、碳纖維等)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合制得的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。目前結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料由于結(jié)構(gòu)的特殊性與制備及提純的困難，大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，獲得實(shí)際應(yīng)用的較少，而且多數(shù)為半導(dǎo)體材料。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，因加工成型與一般高分子材料基本相同，制備方便，有較強(qiáng)的實(shí)用性，故已較為廣泛應(yīng)用。本論文主要研究了復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的制備以及應(yīng)用。2.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料2.1復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料概述復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在工業(yè)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是采用各種復(fù)合技術(shù)將導(dǎo)電性物質(zhì)與樹(shù)脂復(fù)合而成的。按照復(fù)合技術(shù)分類(lèi)有:導(dǎo)電表面膜形成法、導(dǎo)電填料分散復(fù)合法、導(dǎo)電填料層壓復(fù)合法三種。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類(lèi)方法有多種。根據(jù)電阻值的不同，可劃分為半導(dǎo)電體、除靜電體、導(dǎo)電體、高導(dǎo)電體。根據(jù)導(dǎo)電填料的不同，可劃分為碳系(炭黑、石墨等)、金屬系(各種金屬粉末、纖維、片等)。根據(jù)樹(shù)脂的形態(tài)不同，可劃分為導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電粘合劑等。還可根據(jù)其功能不同劃分為防靜電、除靜電材料、電極材料、發(fā)熱體材料、電磁波屏蔽材料。導(dǎo)電復(fù)合材料具有質(zhì)輕、不銹、耐用、導(dǎo)電性能穩(wěn)定、易于加工成型為多種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、可以在大范圍內(nèi)根據(jù)需要調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能、成本低、適于大規(guī)模大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料不同，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料大都已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究階段而進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段，其應(yīng)用普遍，受到越來(lái)越多用戶(hù)的歡迎。2.2復(fù)合型導(dǎo)電復(fù)合材料幾種導(dǎo)電理論復(fù)合型導(dǎo)電復(fù)合材料主要是通過(guò)在這類(lèi)聚合物中添加抗靜電劑或?qū)щ娞盍蟻?lái)制備導(dǎo)電復(fù)合材料。由于加抗靜電劑的導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電性不穩(wěn)定，因此目前主要利用加導(dǎo)電填料來(lái)制備各種聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料。其導(dǎo)電機(jī)理有如下幾種理論:(1)導(dǎo)電通道學(xué)說(shuō)，此學(xué)說(shuō)認(rèn)為導(dǎo)電填料加到聚合物后不可能達(dá)到真正的多相均勻分布，總有部分帶電粒子相互接觸而形成鏈狀導(dǎo)電通道，使復(fù)合材料得以導(dǎo)電。這種理論已被大多數(shù)學(xué)者所接受。(2)隧道效應(yīng)學(xué)說(shuō)，盡管導(dǎo)電粒子直接接觸是導(dǎo)電的主要方式，但Polley和Boonstra利用電子顯微鏡觀察后，發(fā)現(xiàn)炭黑填充橡膠的復(fù)合體系，存在炭黑尚未成鏈且在橡膠延伸狀態(tài)下亦有導(dǎo)電現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)電阻率與導(dǎo)電粒子間隙的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)粒子間隙很大時(shí)也有導(dǎo)電現(xiàn)象，這被認(rèn)為是分子熱運(yùn)動(dòng)和電子遷移的綜合結(jié)果。(3)電場(chǎng)發(fā)射學(xué)說(shuō)，Beek等人研究了界面電壓-電流非歐姆特性問(wèn)題。他們認(rèn)為由于界面效應(yīng)的存在，當(dāng)電壓增加到一定值后，導(dǎo)電粒子間產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)引起了發(fā)射電場(chǎng)，促使電子越過(guò)能壘而產(chǎn)生電流，導(dǎo)致電流增加而偏離線性關(guān)系。由此提出“電場(chǎng)發(fā)射理論”。聚合物基導(dǎo)電復(fù)合物材料的實(shí)際導(dǎo)電機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，但現(xiàn)階段主要認(rèn)為是導(dǎo)電填料的直接接觸和間隙之間的隧道效應(yīng)的綜合作用。2.3導(dǎo)電填料的種類(lèi)導(dǎo)電填料的種類(lèi)很多，常用的可分為炭系和金屬系兩大類(lèi)。炭系填料包括炭黑、石墨和碳纖維等；金屬系主要有鋁、銅、鎳、鐵等金屬粉末、金屬片和金屬纖維。(1)碳系填料填充導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電涂料法所采用的導(dǎo)電物質(zhì)以鎳粉為主，涂料中的樹(shù)脂常用丙烯酸酷和聚胺酷。一般涂層厚度為50-60微米。與其它幾種方法比較，導(dǎo)電涂料法的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低。但縮短導(dǎo)電涂料干燥時(shí)間，提高耐久性方面仍是今后技術(shù)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。表面導(dǎo)電膜形成法的最大缺點(diǎn)是只能在高聚物表面形成一層導(dǎo)電膜，一旦該膜磨損、劃破、脫落就會(huì)影響制品的導(dǎo)電性能。因此制品的導(dǎo)電效果一般不長(zhǎng)久。4.導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用由于導(dǎo)電復(fù)合材料具有質(zhì)輕、不銹、耐用、導(dǎo)電性能穩(wěn)定、易于加工成型為多種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、可以在大范圍內(nèi)根據(jù)需要調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能、成本低、適于大規(guī)模大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。所以其應(yīng)用普遍，受到越來(lái)越多用戶(hù)的歡迎。而且大多數(shù)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究階段而進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。表一列出了導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的分類(lèi)及用途:表一導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料及其應(yīng)用材料種類(lèi)體積電阻率/Ω·cm用途半導(dǎo)體材料107-1010低電阻帶、傳真電極板、靜電記錄紙、感光紙防靜電材料104-107防靜電外殼、罩板、導(dǎo)電輪胎、防爆電纜、包裝材料料導(dǎo)電材料100-104面狀發(fā)熱體、電纜、導(dǎo)電薄膜膜高導(dǎo)材料10-3-100電磁屏蔽材料、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電粘合劑劑4.1防靜電材料這是炭黑填充復(fù)合材料應(yīng)用最多和最廣泛的領(lǐng)域。由于高分子材料的電氣絕緣性能優(yōu)良，在成型、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，一旦受到摩擦和擠壓作用等就容易產(chǎn)生和積累靜電。人們從20世紀(jì)60年代起就已開(kāi)始對(duì)高分子材料的抗靜電問(wèn)題進(jìn)行研究，各種性能良好的抗靜電材料相繼投入到工業(yè)應(yīng)用中，廣泛用作礦山、油汽田、化工等部門(mén)的千粉及易燃、易爆液體的輸送管材、礦用輸送皮帶；集成電路、印刷電路板及電子元件的包裝材料；通訊設(shè)備、儀器儀表及計(jì)算機(jī)的外殼；工廠、計(jì)算機(jī)室、醫(yī)院手術(shù)室以及其它凈化室的地板、操作臺(tái)墊板及壁材等。此外，高分子復(fù)合導(dǎo)電材料還廣泛應(yīng)用于高壓電纜的半導(dǎo)電屏蔽層、結(jié)構(gòu)泡沫材料、化工容器等。美國(guó)的Roemml等人把多空的、易變形的石墨摻入到聚合物中，模壓成型制備了導(dǎo)電復(fù)合材料，用作防靜電材料。還可以把導(dǎo)電復(fù)合材料做成導(dǎo)電膠或?qū)щ娡繉?，用在電子設(shè)備等絕緣材料上以消除靜電。防靜電用的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料可選用熱塑性工程塑料(如PC、PEEK、PPS等)、聚烯烴(HDPE、LDPE等)、橡膠等作為樹(shù)脂。要達(dá)到應(yīng)用要求，防靜電復(fù)合材料的體積電阻率應(yīng)在104-108Ω·cm之間。4.2發(fā)熱體材料作為發(fā)熱體材料是導(dǎo)電復(fù)合材料的一項(xiàng)重要用途?？捎糜诎l(fā)熱體復(fù)合材料的導(dǎo)電填料主要有炭黑和碳纖維，復(fù)合材料的基體樹(shù)脂主要有聚烯烴、熱固性塑料(酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等)以及部分熱塑性工程塑料。若復(fù)合材料的表面溫度要求不高，可用聚烯烴；若其表面溫度要求較高，則選擇熱變形溫度高的熱塑性或熱固性塑料為宜。與金屬導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體加熱材料相比，用作發(fā)熱體的復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、無(wú)銹蝕、易加工成型為多種多樣結(jié)構(gòu)外型的產(chǎn)品、可以在大范圍內(nèi)根據(jù)使用需要調(diào)節(jié)材料的電學(xué)與力學(xué)性能、電熱轉(zhuǎn)換效率較高、宜于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，導(dǎo)電復(fù)合材料用作發(fā)熱體具有較好的市場(chǎng)前景。美國(guó)航天部門(mén)發(fā)明了以石墨纖維一環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為發(fā)熱體的表面加熱器。這種加熱器很薄，高導(dǎo)電導(dǎo)熱，可以覆在不規(guī)則表面進(jìn)行靈巧蒙皮，它可用在飛行器防冰系統(tǒng)，智能迅速地加熱飛行器表面。導(dǎo)電復(fù)合材料還可用作自控溫發(fā)熱材料，這種材料自控溫發(fā)熱的基本原理利用了結(jié)晶聚合物復(fù)合材料的電阻正溫度系數(shù)P(TC)效應(yīng)，即電阻不僅隨溫度升高而增大，而且還在高分子樹(shù)脂基體的熔化區(qū)內(nèi)急劇躍增，從而能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)溫度自控。目前國(guó)外已研制出適合于工業(yè)用的以高分子復(fù)合導(dǎo)電PTC材料作為發(fā)熱體的自控溫加熱帶和加熱電纜，與傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)線或蒸汽加熱相比，這種加熱帶和加熱電纜除兼有電熱、自調(diào)功率及自動(dòng)限溫三項(xiàng)功能外，還具有加熱速度快、節(jié)省能源、使用方便(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件任意截?cái)?、控溫保溫效果好(不必?fù)?dān)心過(guò)熱、燃燒等危險(xiǎn))、性能穩(wěn)定且使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于氣液輸送管道、儀表管線、罐體等防凍保溫以及各類(lèi)融雪裝置。在電子領(lǐng)域，高分子復(fù)合導(dǎo)電PTC材料主要用于溫度補(bǔ)償和測(cè)量、過(guò)熱以及過(guò)電流保護(hù)元件等。在民用方面，可廣泛用于嬰兒食品保暖器、電視機(jī)屏幕消磁系統(tǒng)、電熱地毯、電熱座墊、電熱護(hù)肩等保健產(chǎn)品以及各種日常生活用品、多種家電產(chǎn)品的發(fā)熱材料等。4.3電磁波屏蔽材料隨著各種家用和商用電子產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加，電磁波干擾（EMI）已成為一種新的社會(huì)公害。特別是隨著電子元件的小型化、集成化、輕量化和數(shù)字化發(fā)展，計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、音像機(jī)、音響產(chǎn)品、家用電器、文字處理機(jī)等電子產(chǎn)品的工作電流往往很低，極易受到外界電磁波干擾而出現(xiàn)誤動(dòng)作、圖像障礙等，因而世界各國(guó)都先后頒布了限制電子產(chǎn)品電磁波外溢量的法規(guī)。另一方面，由于高分子材料對(duì)電磁波幾乎不能吸收和反射，毫無(wú)防護(hù)能力，因此采用高分子材料作殼體和元件的電子產(chǎn)品必須進(jìn)行電磁波的屏蔽處理。采用各種高導(dǎo)電性填料制備的高分子復(fù)合材料可以達(dá)到電磁波屏蔽的要求。一般來(lái)說(shuō)體積電阻率在10-2Ω·cm以下的導(dǎo)電材料才能顯示良好的電磁屏蔽效果。用于電磁波屏蔽復(fù)合材料的導(dǎo)電填料主要為金屬粉末(包括銀、鋁等)、金屬纖維、碳纖維、鍍金屬碳纖維等。使用的樹(shù)脂主要為各種塑料(PPS、PP、PEEK等)以及橡膠。5.展望與傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)體相比，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕，無(wú)銹蝕，易加工成型為多種多樣外型的產(chǎn)品，可以在大范圍內(nèi)根據(jù)使用需要調(diào)節(jié)材料的電學(xué)與力學(xué)性能，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，宜于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。故在防靜電、電磁屏蔽、微波吸收、面狀發(fā)熱體等方面得到了廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展在我國(guó)較晚，目前尚處于起步階段，我國(guó)的導(dǎo)電高分子材料制品無(wú)論種類(lèi)、性能、還是與之相關(guān)的理論研究，均于發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距。因此，導(dǎo)電高分子材料的研究在我國(guó)仍具有很大的活力，導(dǎo)電高分子材料市場(chǎng)潛力仍很大，應(yīng)用前景廣闊。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的需求量將越來(lái)越大，應(yīng)用范圍也將越來(lái)越廣，種類(lèi)也將越來(lái)越多。其發(fā)展趨勢(shì)有如下幾點(diǎn):(1)從單一的導(dǎo)電復(fù)合材料向多功能復(fù)合材料發(fā)展。如阻燃抗靜電復(fù)合材料，吸聲導(dǎo)電復(fù)合材料等。(2)超導(dǎo)體的研究已成為當(dāng)今最熱門(mén)的課題之一，因此超導(dǎo)復(fù)合材料也是今后研究的重點(diǎn)之一。(3)性能更好的導(dǎo)電填料的研究與開(kāi)發(fā)，將進(jìn)一步改進(jìn)復(fù)合材料的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，因此仍然是研究熱點(diǎn)。(4)應(yīng)用范圍將逐漸從以航空、軍用為主轉(zhuǎn)向以民用為主，因此降低導(dǎo)電復(fù)合材料的成本也成為重要的研究?jī)?nèi)容之一。參考文獻(xiàn)[1]韓永芹,劉長(zhǎng)維,陶嶸.新型導(dǎo)電復(fù)合材料性能的研究[J].工程塑料應(yīng)用,2004,32(1):10-13[2]熊佳.導(dǎo)電復(fù)合材料的制備及其性能的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.1-85[3]李大軍.聚合物/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料的制備及其性能研究[D].