泡沫密度對(duì)電性能的影響

1、    泡沫密度對(duì)電性能的影響    蔚琳 武飛摘要：聚甲基丙烯酰亞胺（pmi）泡沫塑料是一種輕質(zhì)硬質(zhì)泡沫塑料，具有100%的閉孔結(jié)構(gòu)，比交聯(lián)聚氯乙烯（xpvc）、聚氨酯（pur）等硬質(zhì)泡沫塑料具有更高的強(qiáng)度、模量和抗蠕變性能，耐熱性能可達(dá)到240，是目前耐熱性最好的剛性結(jié)構(gòu)泡沫塑料之一，可滿足190的固化工藝對(duì)尺寸穩(wěn)定性的要求。同時(shí)pmi泡沫塑料又是一種低介電材料，其優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，使其作為纖維泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)的芯層用于天線罩、飛機(jī)雷達(dá)罩等透波材料領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：泡沫密度、電性能1 前言泡沫復(fù)合材料具有密度低，質(zhì)輕，比強(qiáng)度高，吸收沖擊載荷能力強(qiáng)

2、、隔熱性能好等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家用電器、包裝、交通運(yùn)輸、軍事、航空航天和日常用品等領(lǐng)域。而其體積電阻率一般在10121017·cm之間，所以長(zhǎng)期以來(lái)都是作為一種優(yōu)良的電絕緣材料使用，但隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和發(fā)展，特別是電子工業(yè)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的泡沫復(fù)合材料的需求與日俱增。本研究結(jié)合導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料優(yōu)異的物理特性和導(dǎo)電性能，探索其在各種環(huán)境中功能復(fù)合材料體系結(jié)構(gòu)與電性能的關(guān)系。2 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料2.1復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類按結(jié)構(gòu)和制備方法的不同，導(dǎo)電高分子材料可分為本征型導(dǎo)電高分子材料和復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料兩大類。本征型導(dǎo)電高分子材料即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高

3、分子材料，是指高分子本身具備電子傳輸能力或共軛高聚物經(jīng)過(guò)摻雜后具有導(dǎo)電能力的材料，如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。本征型導(dǎo)電高分子材料由于本身剛性大、加工成型困難、難溶、摻雜劑多屬腐蝕性強(qiáng)、劇毒的物質(zhì)，電阻率的變化范圍較窄，且其導(dǎo)電的重復(fù)性和穩(wěn)定性較差、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，以上缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是指以高聚物為基體，在成型加工過(guò)程中添加碳系填料、金屬氧化物、金屬材料等為導(dǎo)電填料，使其具有一定的導(dǎo)電能力。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料綜合了各組分的優(yōu)點(diǎn)，其兼具了導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性以及高分子材料的各種優(yōu)異性能，且導(dǎo)電性能可根據(jù)實(shí)際使用情況可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，成本較低、成型加工相對(duì)簡(jiǎn)便、適用于大規(guī)模大

4、批量的生產(chǎn)等特點(diǎn)，因而得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。2.2復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理（1）導(dǎo)電通路如何形成導(dǎo)電通路的形成是指在給定的加工工藝條件下，導(dǎo)電填料在基體中是如何達(dá)到相互接觸，并且使材料在整體上能夠自發(fā)地形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)這一宏觀自組裝的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程受到復(fù)合材料體系的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和幾何拓?fù)鋵W(xué)等多方面因素的影響。目前，導(dǎo)電通路形成的模型主要有：統(tǒng)計(jì)滲流模型、熱力學(xué)模型、有效介質(zhì)模型和微結(jié)構(gòu)模型等。對(duì)于導(dǎo)電通路形成，到目前為止應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)理論是滲流理論，該理論認(rèn)為體系內(nèi)分布著許多一定規(guī)律或無(wú)規(guī)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)間能夠按一定的幾率存在連接的可能，當(dāng)這個(gè)規(guī)律發(fā)生變化時(shí)，達(dá)到某一臨界值時(shí)，節(jié)點(diǎn)

5、間可以相互連接并組成了無(wú)限的連通簇的現(xiàn)象稱為滲流現(xiàn)象。導(dǎo)電高分子材料的電阻率隨導(dǎo)電填料含量的變化呈現(xiàn)出典型的滲流行為。當(dāng)材料中的導(dǎo)電填料含量較低時(shí)，導(dǎo)電粒子或其聚集體無(wú)規(guī)則的分散在基體中，導(dǎo)電粒子相互接觸的幾率很小，難以形成貫穿整個(gè)材料體系的導(dǎo)電通路，材料呈絕緣態(tài);當(dāng)導(dǎo)電填料含量接近或略微超過(guò)滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電粒子之間出現(xiàn)相互接觸或團(tuán)聚，通過(guò)隧道效應(yīng)或電子躍遷形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電阻率發(fā)生急劇的變化。當(dāng)導(dǎo)電填料含量超過(guò)滲流閾值時(shí)，繼續(xù)增加導(dǎo)電填料，電阻率無(wú)明顯的變化。2.3復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能影響因素。（1）導(dǎo)電填料的性質(zhì)種類和用量選擇碳黑比表面積大、結(jié)構(gòu)高、表面活性基團(tuán)含量少的種類可以

6、提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能;纖維狀導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性能與纖維的長(zhǎng)徑比和分散性有關(guān)，在添加量相同時(shí)，纖維的長(zhǎng)徑比越大，復(fù)合材料的導(dǎo)電性就越好;以金屬薄片為導(dǎo)電填料制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電性能好，金屬薄片越薄，導(dǎo)電性能越好。（2）高聚物的性質(zhì)和種類復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與高聚物的表面張力、粘度以及結(jié)晶度有關(guān)，聚合物的表面張力越小，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能就越好;以同一種類聚合物為基體，粘度的下降，復(fù)合材料的導(dǎo)電性就升高;對(duì)于高結(jié)晶度的聚合物作為基體，比采用結(jié)晶度低的復(fù)合材料的導(dǎo)電性能好。（3）導(dǎo)電填料分散度的影響填料分散性愈好，則在較小的用量下就可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滲流閾值愈低。3 泡沫復(fù)合材料的概述泡沫塑料是

7、一種應(yīng)用廣泛的高分子材料，它以聚合物為基本成分，含有大量氣泡，因此泡沫塑料也是一種以氣體為填料的復(fù)合材料。與純塑料相比，它有許多優(yōu)異的性能，如質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、具有吸收沖擊載荷能力強(qiáng)、隔熱和隔音性能好等特點(diǎn)。所以泡沫復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、家用電器、包裝、交通運(yùn)輸、軍事、航空航天和日常用品等領(lǐng)域。絕大部分塑料都可通過(guò)發(fā)泡制成泡沫塑料，因此泡沫材料品種繁多，其分類方法也是多種多樣。按發(fā)泡倍率可以分為高發(fā)泡泡沫和低發(fā)泡泡沫;根據(jù)泡沫塑料的軟硬程度不同可以分為硬質(zhì)泡沫、半硬質(zhì)泡沫和軟質(zhì)泡沫;根據(jù)泡孔的結(jié)構(gòu)可以分為開(kāi)孔泡沫與閉孔泡沫;根據(jù)泡體的結(jié)構(gòu)又可以分為一般的泡沫塑料和結(jié)構(gòu)泡沫塑料。泡沫復(fù)

8、合材料一般可以通過(guò)注射發(fā)泡、模壓發(fā)泡、擠出發(fā)泡、可發(fā)性粒料發(fā)泡、溶液涂覆發(fā)泡、旋轉(zhuǎn)成型發(fā)泡等方法制備，其中前三種尤為重要，本實(shí)驗(yàn)主要采用模壓發(fā)泡。由于泡沫復(fù)合材料中存在著許多微孔，而這些微孔中都是質(zhì)量很輕的氣體。因此，泡沫復(fù)合材料的這一特點(diǎn)，也就是最大的優(yōu)點(diǎn)乃至異常的輕巧。再加上塑料的耐磨性和耐水性、良好的隔熱性能，使泡沫復(fù)合材料已成為塑料中用途最多的品種。泡沫復(fù)合材料的主要用途如下：（1）熱絕緣材料，主要有硬質(zhì)聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛、脲醛泡沫塑料等。（2）襯墊材料，常用的是軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料等。（3）減震包裝及漂浮材料，常用的有聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯泡沫塑料。（4）電絕緣材料，主

9、要有聚烯烴、聚苯乙烯、聚氯乙烯等泡沫塑料。（5）輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于建筑、軍工等部門(mén)。主要是使用聚氨酯、聚苯乙烯、環(huán)氧、有機(jī)硅等泡沫塑料。4 交聯(lián)劑含量與導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料的電性能的關(guān)系在高聚物中加入交聯(lián)劑，使線型高聚物分子或帶支鏈的線型高聚物的分子產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)果使高聚物的分子結(jié)構(gòu)由線型轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)采用過(guò)氧化二異丙苯（dcp）作為交聯(lián)劑。交聯(lián)劑使高聚物的內(nèi)部產(chǎn)生自由基，使基體與基體之間、基體與炭黑粒子之間產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)結(jié)構(gòu)使eva分子能夠捕獲碳顆粒。為不同交聯(lián)劑含量對(duì)導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響。導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料的體積電阻率隨著交聯(lián)劑含量的增加而升高。因?yàn)閺?fù)合材料中的交聯(lián)點(diǎn)密

10、度隨著交聯(lián)劑含量的增加而增加，對(duì)炭黑粒子在基體中的分散程度產(chǎn)生影響，影響了泡沫復(fù)合材料的電性能。當(dāng)交聯(lián)劑含量為0.5%時(shí)，泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)電性較好，但在模壓過(guò)程中出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象;當(dāng)交聯(lián)劑含量大于1.5%時(shí)，導(dǎo)電性明顯降低，可能是交聯(lián)劑含量太多，使導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料中產(chǎn)生的交聯(lián)點(diǎn)過(guò)多，致使材料的結(jié)構(gòu)太過(guò)于致密，炭黑粒子難以均勻分散在基體中，電阻率升高。但當(dāng)復(fù)合材料中不加交聯(lián)劑時(shí)，難以模壓成型。由于泡沫復(fù)合材料中缺乏交聯(lián)點(diǎn)，大分子鏈之間的連接較差，致使分子結(jié)構(gòu)致密程度不夠，材料難以成型。當(dāng)交聯(lián)劑含量為1%時(shí)，導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與0.5%時(shí)比較接近，且表面光滑平整。5 結(jié)束語(yǔ)泡沫密度對(duì)電性能的影響對(duì)于ldpe/eva/cb導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料，當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15.88%時(shí)，體系的體積電阻率變化很小，處于絕緣態(tài)：當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（15.88%-21.87%）范圍內(nèi)，體系的體積電阻