泡沫密度對電性能的影響

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度、模量和抗蠕變性能，耐熱性能可達到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℃的固化工藝對尺寸穩(wěn)定性的要求。同時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、飛機雷達罩等透波材料領(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，比強度高，吸收沖擊載荷能力強、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1012～1017Ω·cm之間，所以長期以來都是作為一種優(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、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，以上缺點限制了其發(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，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、成型加工相對簡便、適用于大規(guī)模大批量的生產(chǎn)等特點，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程，這個過程受到復(fù)合材料體系的熱力學(xué)、動力學(xué)和幾何拓撲學(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，該理論認為體系內(nèi)分布著許多一定規(guī)律或無規(guī)節(jié)點，這些節(jié)點間能夠按一定的幾率存在連接的可能，當(dāng)這個規(guī)律發(fā)生變化時，達到某一臨界值時，節(jié)點間可以相互連接并組成了無限的連通簇的現(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，導(dǎo)電粒子或其聚集體無規(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滲流閾值時，導(dǎo)電粒子之間出現(xiàn)相互接觸或團聚，通過隧道效應(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)電填料含量超過滲流閾值時，繼續(xù)增加導(dǎo)電填料，電阻率無明顯的變化。

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、表面活性基團含量少的種類可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能;纖維狀導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性能與纖維的長徑比和分散性有關(guān)，在添加量相同時，纖維的長徑比越大，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、比強度高、具有吸收沖擊載荷能力強、隔熱和隔音性能好等特點。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)合材料一般可以通過注射發(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，本實驗主要采用模壓發(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，也就是最大的優(yōu)點乃至異常的輕巧。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。主要是使用聚氨酯、聚苯乙烯、環(huán)氧、有機硅等泡沫塑料。

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)。實驗采用過氧化二異丙苯（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。因為復(fù)合材料中的交聯(lián)點密度隨著交聯(lián)劑含量的增加而增加，對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，泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)電性較好，但在模壓過程中出現(xiàn)粘模現(xiàn)象;當(dāng)交聯(lián)劑含量大于1.5%時，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)點過多，致使材料的結(jié)構(gòu)太過于致密，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，難以模壓成型。由于泡沫復(fù)合材料中缺乏交聯(lián)點，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，導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與0.5%時比較接近，且表面光滑平整。

5 結(jié)束語

泡沫密度對電性能的影響對于LDPE/EVA/CB導(dǎo)電泡沫復(fù)合材料，當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)小于15.88%時，體系的體積電阻率變化很小，處于絕緣態(tài)：當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)在（15.88%-21.87%）范圍內(nèi)，體系的體積電阻率發(fā)生數(shù)量級的突變，呈現(xiàn)典型的滲流TJ;為;當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，體系的體積電阻率變化緩慢。

參考文獻：

[1]謝克磊，曲春艷，馬瑛劍，楊海冬.交聯(lián)劑對PMI泡沫塑料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J].材料工程.2009（04）

[2]曲春艷，馬瑛劍，謝克磊，王德志.聚甲基丙烯酰亞胺硬質(zhì)泡沫塑料[J].化學(xué)與粘合.2008（01）