纳米导电纤维和导电碳黑并用填充硅橡胶复合材料的电性能.doc

纳米导电纤维和导电碳黑并用填充硅橡胶复合材料的电性能材料研究CHINESEJOURNALOFMATEIUALSRESEARCHV0ll3No3JL】ne1999纳米导电纤维和导电炭黑并用填充硅橡胶复合材电性丁陈克正王德平张志琨[青岛化工学院摘要卓文研究了纳米导电纤维(Nanc-F)与导电嵌黑(HG~CB)填充硅橡腔复旨材料的电性能.Nano~F/HG—CB填充硅橡胶复台材料具有高的导电性电阻率随温度增加在25~40℃之间呈负温度系鼓,而在40～120℃之间电阻率变化不走,具喜较高的热匏定性;在不同温度下的优一安特性旱欧蛔线性关系探讨了这种复台材料的导电机理关键词纳米导电纤维复台材料电性能分类号TB332B复ELECTRICPRoPERTY0FSILIC0NERUBBERC0MPoSITEFILLEDWITHNANo—CoNDUCTIVEFIBREANDC0NDUCTIVECARBoN—BLACKCHENKezhengWANGDepingZHANGZhikun(Inst.~tuteNanostructur~dMaterials,QingdaoInstituteofChemicalTechnologyQingdao2662)ABSTRACTElectricpropertyofsiliconerubbercompositefilledwithnano-conductivefibreandconductivecarbon—blackwasinvestigatedItwasshownthatthecompositepossessedhighelectricconductivityandresist-heatstabiliWithtemperatureincreasing.theresistivityofthecompositegraduallydecreased(NTC.negativetemperaturecoefficient)attherangeof2Sto40℃,butthereexistedsmallchangeattherangeof40to120℃.TheresultsshowedthattheU一,characteristicofthecompositewasconsistentwith0hmIaw.导电橡胶中堆常用的导电填料有炭黑.金属粉末.碳纤维.金属纤维及镀金属玻璃纤维等.但上导电填料填克橡胶复台材料的加工眭及综合性能差Ii~alHGCB是国内最近研制开发的一种新型导电炭黑,其主要理化性能超过美国的ASTMN472特导电炭黑,与目前导电性能最好的荷兰AK公司的Ketj—blackEC型相似,但其在橡腔山东省科委资助工程QH95111997年12月9日收到初稿.1998年12月3日收到修改稿本文联系』,:陈克正一青岛市266042,青岛化丁学院纳米材料研究所Towhomcorr~pondenceshouldbeaddressed,\强n凌324材料研究l3卷中的添加量不官^大否那么会造成腔料变硬甚至容易发生焦烧,且ⅡJ—l生能很差,因而限制丁它的应用范围.张琨等用气相蒸发法制得的纳水铜粒子催化己快聚合得到一种导电的纳米纤维(Nao-F)[5,6】初步研究J发见NanoF对硅橡胶硫化无影响,且填充硅橡胶复古材料具有硬度低,弹性高,扯断永九变彤小,弹性恢复能力强的优点,但其导电陛能不厦HG—CB本文采用NanoF/HG—CB并用填充硅橡胶,研究其电性能.实验实验原料为:己烯基甲基硅橡胶(VMQ11o),T均相对分子量为50万～7O华光高导电嶷黑(HGCB),粒径33nm,比面积(BET法)1080m./g.DBP吸油值为j86mL/g,pH值为65,电阻率为0270.CtYI沉淀法白嵌黑(W—cB)SiO2含量不小于90%,水含量不太于8O%,pII伯5575,视密度80~150g/IDB})吸油佰不小于2mL/g纳米导电纤维(Nan~F),过氧化二异丙苯(DCP)实驻仪器:XK一160开放式炼胶机,LH一11型硫化仪,营程150,纸速2mm/minXQLB350×35025t平板硫化机.将四种导电填料枯燥炉中于1i0~130℃保温2h,然后在室温F放置6h,以稳定硫化脏的导电性复台材料的根本配方见表i表1NanoF/'HG=CB填充VMQ11o复台材料的配方c质量比)Table1CompositionofVMQ一110coinpositesfilledwithnan~F/HGCBhmassratio1在i016mm开炼机上参加VMQ-110,包辊后加^导电填料,待分散均匀后捣股数礁,参加空联剂DCP'薄通5披,压片放置过夜待用用I,HiI型硫化戗冽定硫化胺正硫化,纸速为2ram/rnin;然后用25t甲板硫化机压片进行160℃×lOm[n段硫化,枯燥炉中进行160℃x4hlI段硫化.采H{四电极法测定硫化胶的电阻率先用万用表和电流袁侧出稳JJ电源的输出电压及电流,使其输出功率为02405V/,以防止胶片通电发热影响其电阻值升温空验在枯燥箱中进行,在每一,r温度下试样恒温预热15:nin然后再进行测定.锇酸浸泡样品,然后切片,用JEI~2000EX透射电子显微镜对样品作TEM观察填料组分对复台材料电性能的景|响由图1可以看出.对于Nan~F与HGCB并用体系,随Nan~F的增加,材料电阻率逐渐降低与HGCB相比,由于N…F本身的电阻率走,目此要到达相同电阻12080Eu'0OWf.图1导电填料组份(质量分数)对复合材料电狙牢的影响Fig.1Resistivityofcompositesfilledwithdigfert,ntconductivefillers3期陈克止等纳米导电纤维和导电炭黑并Lj填充硅橡胶复台材料的l皂r能325苹时Nanc~F的用量太;而与单用Nanc~F相比,那么井用I奉系中Nanc~F的用量明显减小为r到较高的导电眭,分散的填料必须排列战链状结构或分散成粒了之问仅宵Il_1,埃的间距,这样在电场作用电子aI以通过隧道效应或跳跃导电而形成电流【由于Nanc~F表而秘比拟大f促使更多牲子的近点接触fclo~eItcontacts)[,因此HGCB炭黑可通过NanoF的桥接而形成较好的耐络结构,炭黑聚集体在纤维之间提供r导电的连续性,电子在纤维之间,j盥子之间及纤维与粒子之间跳跃由Nanc~F/HGCB并用填充复合树料的TEM观察f见图2,图中NanoF/tIGCB配比为a_0/10blO!lOc15/lOd2511D;且A,B分别表示NanoF和HcB)可以发现,随NanoF用量的增加NanoF通过桥接作用逐步与HGCB聚集体形成完整的二维导电网络,从而使得并用填充胶科具有较高的导电眭NF/HGCB在硅橡胶基体中分散及网络结构形象化模型描述如圈3所示图2不同用量NanoF/HGCB填充VMQIIO复台材料的TEM观察Fig.2TEMirnagesofVMQ110compositeOildifferentNanoF/HGCBConcelltralion温度对电阻率的影响由图4(sam1.sam2,sam3.sam4,sam5的NanoF/HGCB配比分刖勾0/10,101l0,1511020210,25/lO)可看出,对于不同组份NanoF/HGCP,填充W.1Q110复台材料在25～tO℃之间髓温度上升电阻牢P下降,呈负温度系数(NTC);随温度继续升高不含Nanc~F的V\.IQ110复台材料P逐新增大.而NanoF/HeCB并用填充VMQ的电阻率基木保持不变,且其P值相差不大.伏一安(U～,)特r眭图5为Nanc~F/HG—CB(20/10)并片j填充体系在25℃,60℃,10{I℃下的伍安(～,)特性曲线在这三个温度下其U～,特性曲线均呈直线眭,即伏安特眭为欧姆性,这说明随温蔓升高复音材料基体内存在的导电网络未帔破坏有关温度对Nanc~F/HGCB填克高分子聚合物复台材料的导lir业茸JI～,特性的影响自待r^研究,以确定Nano~F/HGCB填允硅橡胶复合材料l体系的导_】机理326材料研究13卷匿Nalto—FNan0一F/H(CB图3Nano-F/HGCB并用体系分散及网络结构的形象化模型Fig.3SchematicillustrationofdispersionandnetworkstructureofcompositefiledwithNaac~F/HGCBt/.C图4温度t对不同组份复台材料电阻率p的影响Fig.4Temperaturedependenceofresistiv-ityofcomposffesloadedwithdifferentfillerconcentration,V图5Nano-F/HGCB填充复合材料的U～』曲线Fig.5U～characteristicCuFvesofthecom-positefilledwithNmlc~F/HG—CB结论1.Nemo—F/HG—CB填充VMQ—Ii0复合材料具有较高导电性原因是:并用系统中的HG—CB炭黑聚集体通过Nano-F纤维的桥接而形成较好的网络结构,且HG—cB炭黑聚集体在NanoF之间提供了导电的连续性2Nano-F/HG—CB并用填充VMQ—ii0复台材料的电阻率随温度增加呈负温度系数,且在40~120℃之间电阻率变化不大具有较高的热稳定性3Nano—F/HG—CB并用填充VMQ110复台材料在不同温度下的伏一安(U～『)特性呈欧姆线性关系说明复台材料中纳术导电纤维与炭黑粒子形成的导电同络未被破坏3期陈克正等t纳米导电纤维和导电藏黑新用填充硅橡胶复台材料的电性佳327参考文献AlMedal[a,RubBerChemTechnol,59,432f1986)PBJanaSKDeS.Chaudhur[,A.KPatRubberChemT~kno[,657(19921FJBaltaCalleja,R.KBayer,TAEzquerraJ.MaterSci,231411(1988)宁英沛,席文谳,来传芳,橡胶工业,40(10),585(1993)张志琨,崔怍林,陈克正,壬彦妮,宁英沛,科学通报,40f20),13(1995)阵克,强志琨,崔怍林,橱太智,物理化学学{Il,13(41,31.1c1997)宁英沛,卢祥来,张志琨,崔作林王彦妮,台成橡胶工业,18(t~),332(1995)BBt3oonstrainRtsbberTechnologyandManufactu~.editedEBlow(Newnesdon1975)p247。