1、不 饱 和 聚 酯 树 脂 / 炭 黑 / 碳 纤 维 复 合 材 料 的 导 电 性 能 研 究FRp/ CM 2005. No. 2收 稿 日 期 ： 2004-03-22基 金 项 目 ： 国 家 863 项 目 （ 2003AA305920）作 者 简 介 ： 汪 水 平 （ l95l-） ， 男 ， 副 教 授 。不 饱 和 聚 酯 树 脂 /炭 黑 /碳 纤 维 复 合 材 料 的 导 电 性 能 研 究汪 水 平 ， 翁 睿 ， 吴 志 辉（ 武 汉 理 工 大 学 材 料 学 院 ， 湖 北 武 汉 430070）摘 要 ： 本 文 研 究 了 由 炭 黑 、 短 切 碳 纤
2、维 填 充 的 不 饱 和 聚 酯 树 脂 复 合 材 料 的 导 电 性 能 ， 得 到 了 乙 炔 炭 黑 、 短 切 碳 纤 维 用 量 与复 合 材 料 电 阻 率 的 关 系 ， 对 其 导 电 机 理 进 行 了 分 析 。关 键 词 ： 炭 黑 ； 碳 纤 维 ； 复 合 材 料 ； 导 电 性 能中 图 分 类 号 ： TB332； TO327. 3 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： l003 -0999（ 2005） 02 -0020 -02导 电 高 分 子 材 料 分 为 结 构 型 和 复 合 型 两 类 。 结构 型 导 电 高 分 子 材 料 因 受
3、诸 多 因 素 限 制 ， 目 前 尚 未商 品 化 。 相 比 之 下 ， 复 合 型 导 电 高 分 子 材 料 则 发 展迅 速 。 它 通 过 加 入 导 电 填 料 ， 使 聚 合 物 导 电 l。 导电 填 料 主 要 有 碳 系 导 电 填 料 ， 导 电 氧 化 锌 、 金 属 等 。碳 系 导 电 填 料 ， 尤 其 炭 黑 是 目 前 复 合 型 导 电 填 料 中应 用 最 广 泛 的 一 种 。 因 为 炭 黑 价 格 低 廉 、 适 用 性 强 ，是 一 种 耐 热 性 抗 氧 化 剂 和 光 屏 弊 剂 ， 对 防 止 聚 合 物的 老 化 有 利 2。 碳 纤 维
4、 也 可 用 作 导 电 填 料 。 碳 纤维 具 有 高 强 度 、 高 模 量 、 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 、 耐 疲 劳 、 抗蠕 变 、 导 电 、 传 热 等 特 征 ， 主 要 用 于 制 备 先 进 的 复 合材 料 3。 本 文 对 不 同 比 例 炭 黑 、 碳 纤 维 和 ZnO 填 充的 不 饱 和 聚 酯 树 脂 复 合 材 料 进 行 了 研 究 ， 研 究 了 该体 系 的 导 电 性 能 和 机 械 性 能 ， 并 对 其 导 电 机 理 进 行了 分 析 。l 实 验1.1! 原 材 料 及 试 样 制 备实 验 使 用 通 用 型 不 饱 和 聚 酯 树
5、脂 （ Upl9l#） 及引 发 剂 和 促 进 剂 ， 武 汉 理 工 大 学 复 合 材 料 厂 生 产 ； 乙炔 炭 黑 由 南 京 炭 黑 厂 生 产 ； 短 碳 纤 维 由 南 京 玻 璃 纤维 研 究 院 生 产 ； 氧 化 锌 为 化 学 纯 ， 武 汉 试 剂 厂 生 产 。按 表 l 的 配 比 配 制 树 脂 胶 液 ， 采 用 浇 铸 成 型 。工 艺 流 程 如 图 l 所 示 。图 l 工 艺 流 程表 l 不 同 填 料 组 成 的 导 电 复 合 材 料Table l Conducting composites with different fillers编 号
6、树 脂 / g 碳 黑 / g 短 碳 纤 维 / g ZnO/ gl l00 l0 0 l02 l00 9 l l03 l00 8 2 l04 l00 7 3 l05 l00 5 5 l06 l00 0 l0 l01.2! 性 能 测 试体 积 电 阻 率 按 GBl4l0-78 试 验 方 法 检 测 ， 试 样 体积 电 阻 l08! 用 数 字 万 用 表 测 量 ， 体 积 电 阻 2 l08!用 高 阻 计 测 量 ； 弯 曲 强 度 、 弯 曲 模 量 按 GBl449-83弯 曲 性 能 试 验 方 法 测 量 ； 巴 氏 硬 度 按 GB3854-83 试 验方 法 测 量
7、， 巴 氏 硬 度 试 验 仪 器 为 GY2Jp34-l 型 ； 吸 水 率按 GBl463-78 试 验 方 法 检 测 。2 结 果 与 讨 论表 2 为 加 入 乙 炔 炭 黑 、 短 碳 纤 维 、 氧 化 锌 的 复 合材 料 的 导 电 性 能 和 机 械 性 能 。表 2 不 同 填 料 组 成 的 导 电 复 合 材 料 导 电 性 能 和 机 械 性 能Table 2 Conducting and mechanical properties ofcomposites with different fillers编 号CB/ CF/ ZnO吸 水 率/ 巴 氏硬 度弯 曲 弹
8、 性模 量 / Mpa弯 曲 强 度/ Mpa体 积 电 阻 率/! cm-ll l0/0/l0 l.03 58 2850.75 6l.2 2.36 l072 9/l/l0 l.67 59 2478.89 44.55 5.75 l063 8/2/l0 l.73 60 2623.78 50.l8 3.l8 l064 7/3/l0 l.34 6l 3255.l6 85.28 5.l7 l055 5/5/l0 l.54 64 3657.02 l20.5 6.54 l046 0/l0/l0 l.95 66 4245.43 l54.2 2.53 l0402 2005 年 3 月一一一一一一一一一一一一一
9、一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一玻 璃 钢 / 复 合 材 料FRP/ CM 2005. No. 2图 2 不 同 填 料 组 成 的 复 合 材 料 体 积 电 阻 率Fig. 2 Resistivity of composites with diffferent fiiiers图 3 不 同 填 料 组 成 的 复 合 材 料 弯 曲 强 度Fig.3 Bending strength of composites with different fiiiers体 积 电 阻 率 随 填 料 组 成 的 变 化 见 图 2。 随 短 切碳 纤 维 比 例
10、增 加 ， 电 阻 率 逐 渐 减 小 。 分 别 填 充 乙 炔炭 黑 和 短 切 碳 纤 维 10 份 的 复 合 材 料 ， 其 电 阻 率 分 别为 最 高 值 和 最 低 值 ， 相 差 三 个 数 量 级 。 当 填 料 组 成中 纤 维 比 例 由 0 增 加 到 5 份 时 ， 电 阻 率 急 剧 下 降 ， 其后 纤 维 再 增 加 到 10 份 时 ， 电 阻 率 基 本 不 变 ， 曲 线 逐渐 趋 于 平 缓 ； 此 时 电 阻 率 104量 级 。 在 炭 黑 / 碳 纤维 / 不 饱 和 聚 酯 树 脂 复 合 材 料 中 存 在 着 两 种 填 料 的导 电 特
11、性 ， 碳 纤 维 提 供 远 程 导 电 ， 炭 黑 不 仅 提 供 近 程导 电 ， 而 且 还 对 碳 纤 维 的 搭 接 起 了 “ 桥 接 ” 作 用 4。当 组 分 中 纤 维 填 充 量 很 低 时 ， 纤 维 之 间 的 平 均 距 离很 大 ， 它 们 之 间 的 接 触 机 会 很 少 ， 基 本 上 不 存 在 “ 导电 通 道 ” 。 当 纤 维 含 量 逐 渐 增 加 时 ， 复 合 材 料 中 纤维 间 平 均 距 离 逐 渐 减 小 ， 它 们 之 间 接 触 机 会 逐 渐 增加 。 当 纤 维 间 平 均 距 离 小 到 发 生 接 触 的 纤 维 有 机 会
12、在 复 合 材 料 中 形 成 “ 导 电 通 道 ” 时 ， 复 合 材 料 的 电 阻 率急 剧 下 降 。 当 纤 维 含 量 增 加 到 5%之 后 ， 它 们 在 复 合 材料 中 形 成 了 “ 导 电 通 道 ” 的 网 络 。 这 时 再 增 加 纤 维 含量 ，“ 导 电 通 道 ” 的 相 对 数 量 增 加 很 少 ， 复 合 材 料 电 阻 率随 组 分 中 纤 维 含 量 的 变 化 趋 于 平 缓 。 复 合 材 料 机 械 性能 见 图 3。 随 组 分 中 碳 纤 维 含 量 增 加 ， 弯 曲 弹 性 模 量 、弯 曲 强 度 、 巴 氏 硬 度 不 断 增
13、加 ， 吸 水 率 亦 增 大 。由 图 2、 图 3 可 见 ， 随 着 短 切 碳 纤 维 比 例 增 加 ，体 积 电 阻 率 不 断 下 降 ， 弯 曲 强 度 不 断 提 高 ， 但 其 比 例增 加 到 5%后 ， 复 合 材 料 的 导 电 性 能 和 力 学 性 能 增加 趋 势 减 弱 。 这 是 因 为 随 短 碳 纤 维 的 比 例 的 增 加 ，导 致 胶 液 的 粘 度 增 大 。 短 切 碳 纤 维 不 易 浸 胶 ， 必 须加 入 大 量 的 丙 酮 稀 释 ， 丙 酮 是 非 活 性 稀 释 剂 ， 不 参 与固 化 反 应 ， 并 且 具 有 挥 发 性 。
14、在 固 化 过 程 中 ， 从 材 料的 内 层 向 外 表 面 挥 发 ， 形 成 内 部 气 泡 。 此 外 ， 炭 黑 表面 化 学 组 成 、 炭 黑 的 阻 聚 作 用 、 导 电 填 料 与 树 脂 的 相容 性 都 影 响 复 合 材 料 界 面 的 粘 接 强 度 和 固 化 程 度 。加 入 量 越 多 ， 这 种 现 象 就 越 明 显 。 因 此 短 切 碳 纤 维掺 入 量 不 能 过 多 。3 结 论（ 1） 在 不 饱 和 聚 酯 树 脂 / 炭 黑 复 合 材 料 中 加 入 短 切碳 纤 维 能 显 著 提 高 复 合 材 料 的 导 电 性 能 和 机 械 性
15、 能 ；（ 2） 导 电 填 料 含 量 不 宜 过 高 ， 最 佳 导 电 填 料 组成 为 树 脂 ： 炭 黑 ： 短 切 碳 纤 维 =1001 51 5。参 考 文 献 1 张 福 强 . 复 合 型 导 电 高 分 子 材 料 技 术 进 展 J . 塑 料 ， 1995， 24（ 2） 1 7-23. 2 李 雅 丽 . 新 品 级 导 电 填 料 研 究 进 展 J . 山 西 化 工 ， 1993， 22（ 3） 1 23-25. 3 Jana P B， et ai. Eiectricai conductivity of barium-ferrite-vuicanizedpoi
16、ychioroperene fiiied with short carbon fibers J . Rubber Chem Chaudhuri S;Pal A K Electrical conductivity of short carbon fiber reinforcedpolychloroprene rubber and mechanism of conduction 1992(06)2.Jana P B Electrical conductivity of barium-ferrite-vulcanized polychloroperene filled with shortcarbo
17、n fibers 1992(01)3.李雅丽 新品级导电填料研究进展 1993(03)4.张福强 复合型导电高分子材料技术进展 1995(02)本文读者也读过(4条)1. 宋文超.季铁正.李博.莫翔友.李红艳.SONG Wen-chao.JI Tie-zheng.LI Bo.MO Xiang-you.LI Hong-yan 炭黑/环氧树脂复合材料导电行为的研究期刊论文-中国胶粘剂2010,19(10)2. 于杰.王继辉.王钧.YU Jie.WANG Ji-hui.WANG Jun 碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究期刊论文-武汉理工大学学报2005,27(5)3. 宋文超.季铁正.莫翔友.李博
18、.SONG Wen-chao.JI Tie-zheng.MO Xiang-you.LI Bo 炭黑/环氧树脂复合材料的电性能研究进展期刊论文-中国胶粘剂2010,19(9)4. 孙福.张国庆.孙艳秋.SUN Fu.ZHANG Guoqing.SUN Yanqiu 导电炭黑/聚酯复合材料的性能期刊论文-纺织学报2008,29(10)引证文献(7条)1.杨永兵.周如东.张秀芹.杨廷海.陈强 不饱和聚酯树脂基复合材料的导电性能期刊论文-塑料 2011(5)2.艾娇艳.何元锦.肖舜通 碳纤维/聚碳酸酯复合材料研究期刊论文-玻璃钢/复合材料 2010(2)3.柴红梅.孙超明.赵东林.沈曾民 碳纳米管/PMMA/PVAC复合膜气敏性能研究期刊论文-玻璃钢/复合材料 2009(4)4.钟林新.张美云.董艳晖 碳纤维屏蔽纸屏蔽效能改善的初步研究期刊论文-中国造纸 2009(4)5.董艳晖.张美云.钟林新 炭黑/碳纤维复合导电纸性能的研究期刊论文-造纸科学与技术 2008(5)6.董艳晖.张美云.钟林新 导电粉末加填对碳纤维屏蔽纸性能的影响期刊论文-中华纸业 2008(23)7.张振.赵志鸿.张锐.肖德凯 2005年我国热固性工程塑料进展期刊论文-工程塑料应用 2006(5)本文链接：http:/
