鍍鎳石墨導(dǎo)電硅橡膠的制備和性能研究

向 輝

(武漢工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

隨著科技的進(jìn)步，在許多場(chǎng)合需要具有一定導(dǎo)電性的聚合物。將導(dǎo)電填料分散在絕緣的硅橡膠中制得的導(dǎo)電硅橡膠，是復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料領(lǐng)域日趨活躍的一個(gè)分支。因?yàn)槠渚哂蟹€(wěn)定的電阻時(shí)間特性，可控制的電阻溫度系數(shù)及較高的溫度界限等優(yōu)點(diǎn)，成為用量最大的導(dǎo)電橡膠，已廣泛用于抗靜電材料、電磁屏蔽材料等方面，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍布航空、航天、電子電氣、計(jì)算機(jī)、建筑、醫(yī)療、食品等與人們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)[1-4]，并對(duì)推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有十分重要的作用。

金屬填充材料能極大地降低硅橡膠的體積電阻率，可以獲得低于1 Ω·cm的材料。但由于金屬材料與硅橡膠界面作用很弱，并且一般的金屬微粒直徑較大，使得硅橡膠的力學(xué)性能和加工性能劣化。金屬材料價(jià)格昂貴，密度高，而采用鍍鎳石墨可明顯降低成本以及其密度，因而受到廣泛的應(yīng)用。其可以與硅橡膠復(fù)合制備用于電磁屏蔽功能的涂料以及密封圈。

本工作研究了鍍鎳石墨粒徑、交聯(lián)劑和硅烷偶聯(lián)劑種類對(duì)導(dǎo)電硅橡膠力學(xué)性能及導(dǎo)電性能的影響，探討了鍍鎳石墨粒徑影響其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的機(jī)理，并嘗試使用硅油降低導(dǎo)電硅橡膠的硬度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

甲基乙烯基硅橡膠(以下簡(jiǎn)稱硅橡膠)：工業(yè)品，四川晨光有限公司；乙烯基三乙氧基硅烷(WD-20)、雙-[Y-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(WD-40)、Y-(甲基丙烯酸酰胺)丙基三甲氧基硅烷(WD-70)：化學(xué)純，湖北武大有機(jī)硅新材料有限公司；鍍鎳石墨粉#2701(鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，平均粒徑為100 μm)、#2708(鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，平均粒徑為25 μm)、#2805(鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，平均粒徑為50 μm)：工業(yè)品，北京安特普納科貿(mào)有限公司；過氧化二異丙苯(DCP)：上海金津貿(mào)易有限公司；過氧化苯甲酰(BPO)：宜都市友源化工有限公司；過氧化雙(2，4-二氯苯甲酰)(簡(jiǎn)稱雙二四)、2,5-二甲基-2,5 二叔丁基過氧化己烷(簡(jiǎn)稱雙二五)：化學(xué)純，深圳大鑫科技有限公司；二甲基硅油(以下簡(jiǎn)稱硅油)：化學(xué)純，武大有機(jī)硅新材料股份有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

RM-200A轉(zhuǎn)矩流變儀:德國Haake公司；R-3202平板熱壓機(jī):武漢啟恩科技有限公司；SK-180B雙輥煉膠機(jī):上海拓林橡塑機(jī)械廠；RIGOL DM3061臺(tái)式數(shù)學(xué)萬用表:北京普源精電科技有限公司；TCS-2000高鐵拉力試驗(yàn)機(jī):高鐵檢測(cè)儀器有限公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 基本配方

基本配方(質(zhì)量份)為： 硅橡膠 100，鍍鎳石墨 變量，偶聯(lián)劑 變量，交聯(lián)劑 變量。

1.3.2 混煉

使用德國Haake公司生產(chǎn)的RM-200A轉(zhuǎn)矩流變儀將硅橡膠、導(dǎo)電填料和其它配合劑在常溫下混煉15 min，轉(zhuǎn)速為80 r/min，得到混煉膠。

1.3.3 交聯(lián)

先將SK-180B雙輥煉膠機(jī)輥筒間距調(diào)至3 mm，初壓成條狀，再使用R-3203平板熱壓機(jī)壓模制備成80 mm×80 mm×1 mm的樣品，壓力為10 MPa，時(shí)間為8 min，然后切成啞鈴狀樣條和條狀樣條。

1.4 分析測(cè)試

力學(xué)性能：采用電子拉力機(jī)按GB/T 528—1998和GB/T 531—1999進(jìn)行測(cè)定；導(dǎo)電性能：截取長(zhǎng)度50 mm，截面積為6 mm ×1 mm 樣條5根，按GB/T 2439—1989測(cè)定體積電阻，并計(jì)算體積電阻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑對(duì)硅橡膠性能的影響

采用表1所示配方制備樣品，并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，以考察交聯(lián)劑對(duì)硅橡膠性能的影響，其結(jié)果見表2。

表1 導(dǎo)電硅膠配方

表2 交聯(lián)劑對(duì)硅橡膠性能的影響

由表2可以看出，相同組分的導(dǎo)電硅膠，采用DCP和雙二五交聯(lián)的樣品其力學(xué)性能和斷裂伸長(zhǎng)都有明顯優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)殡p二四沒有與硅橡膠產(chǎn)生反應(yīng)，而使用BPO交聯(lián)程度不夠高，雙二五以及DCP的交聯(lián)程度能滿足更高的力學(xué)性能。但由于雙二五對(duì)溫度比較敏感，其分解溫度為80 ℃，而DCP分解溫度為120～125 ℃，所以本文以下選用DCP做交聯(lián)劑。

2.2 偶聯(lián)劑對(duì)硅橡膠性能的影響

采用100份硅橡膠，180份#2805鍍鎳石墨，1.5份DCP與3份不同型號(hào)的偶聯(lián)劑進(jìn)行樣品的制備，測(cè)試其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 偶聯(lián)劑對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響

表4 偶聯(lián)劑對(duì)硅橡膠導(dǎo)電性能的影響

由表3和表4可以看出，WD-70交聯(lián)的硅橡膠具有較好的斷裂伸長(zhǎng)率，WD-20的導(dǎo)電性能最好。

2.3 鍍鎳碳粉對(duì)硅橡膠性能的影響

采用100份硅橡膠，3份WD-20偶聯(lián)劑，3份DCP硫化劑分別與200份、180份、160份、140份、120份、100份的#2805、#2701、#2708鍍鎳石墨混煉制膠，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 鍍鎳石墨對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響

續(xù)表

1) 第一個(gè)數(shù)字1代表#2805、2代表#2701、3代表#2708；第二個(gè)數(shù)字自1到6分別代表鍍鎳碳粉用量為200份、180份、160份、140份、120份、100份；下表同。

使用臺(tái)式數(shù)學(xué)萬用表進(jìn)行電阻的測(cè)定，截取長(zhǎng)3 cm，寬0.61 cm，厚度因壓樣而需待測(cè)的樣條測(cè)試1 min得到的電阻，并計(jì)算成體積電阻率,結(jié)果如表6所示。

表6 鍍鎳石墨對(duì)硅橡膠導(dǎo)電性能的影響

由表5和表6可以看出，隨著導(dǎo)電填料的規(guī)格不同，硅橡膠呈現(xiàn)高低不一的導(dǎo)電性和明顯差異的力學(xué)性能。相同用量的導(dǎo)電填料，在140～200份間，其粒徑越大導(dǎo)電性越好，但力學(xué)性能越差；而在120份，時(shí)相互間的力學(xué)性能差異已經(jīng)非常小，其中粒徑最大的#2701在100～120份之間的力學(xué)性能差異幾乎沒有。以上現(xiàn)象可以認(rèn)為鍍鎳石墨被稀釋后，粒徑的大小對(duì)力學(xué)性能的影響非常小。而粒徑較小，鎳含量更高的#2805導(dǎo)電填料，其導(dǎo)電性能也比鎳含量更低的#2701差。三者間的滲濾閥值也有明顯的差異，粒徑越大閥值越小。謝麗麗等[5]研究得到滲濾閥值在180～200份之間，但這里可以看到粒徑大小對(duì)滲濾閥值有顯著影響，其中平均粒徑為100 μm的#2701鍍鎳石墨填充導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾閥值在100～120份之間。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要在其導(dǎo)電機(jī)理：(1)滲流理論認(rèn)為電流只能通過互相接觸的導(dǎo)電粒子；(2)隧道效應(yīng)理論認(rèn)為當(dāng)導(dǎo)電粒子距離小于10 nm時(shí)，電子在能間隙間躍遷，從而導(dǎo)電[6-8]。也就是說對(duì)形成導(dǎo)電通路影響的主要因素是粒子間的空間距離，那么在相同含量的導(dǎo)電粒子間，粒子直徑越大，越容易形成通路。

2.4 硅油對(duì)硅橡膠性能的影響

采用100份硅膠，200份#2805鍍鎳石墨、3份WD-20偶聯(lián)劑，3份DCP硫化劑分別與1份、2份、3份、4份的硅油混煉制膠，測(cè)試其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，結(jié)果如表7和表8所示。

表7 硅油用量對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響

表8 硅油用量對(duì)硅橡膠導(dǎo)電性能的影響

由表7和表8可以看出，硅油對(duì)硅橡膠的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能有改善作用，還可以降低橡膠硬度，但用量大于3份后提升性能效果不明顯，硅油用量的增加對(duì)導(dǎo)電性能帶來微小的劣化作用，但作用效果不大，可以忽略不計(jì)。其中3份硅油可以較大地改善力學(xué)性能，且未對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生明顯影響。

3 結(jié) 論

(1) 使用雙二五和DCP都能很好地交聯(lián)固化導(dǎo)電硅橡膠，但雙二五對(duì)溫度較敏感，而混煉過程極易發(fā)熱，如果混煉工藝散熱不佳，建議使用DCP。

(2) WD-20作為偶聯(lián)劑，能明顯提高其導(dǎo)電性能。

(3) 鍍鎳石墨粒徑對(duì)導(dǎo)電性能和力學(xué)性能有明顯影響，粒徑越大，導(dǎo)電性能越好，但力學(xué)性能也會(huì)有明顯劣化。

(4) 硅油可以提高硅橡膠拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，降低硬度，同時(shí)對(duì)導(dǎo)電性能影響不大，可忽略不計(jì)，其最佳用量為3份。

參 考 文 獻(xiàn)：

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