0831新石墨ABS复合材料

石墨/ABS树脂导电复合材料的研究摘要：用机械共混法制备电学性能优良的（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）/石墨导电复合材料。研究 了石墨含量、偶联剂对石墨分散性及导电复合材料电导率和拉伸强度的影响。同时，利用扫描电镜（SEM）对 复合材料的微观特征进行了分析。EST120数字高阻仪和VICT0R6266数字万用表测试分析得出石墨在ABS中的 逾渗阈值约为40%。WDT-90电子万能试验机测试分析得出石墨含量为30%左右时，复合材料拉伸强度最大。 关键词：石墨 ABS 电阻率 拉伸强度 断裂伸长率0 引言 随着电子技术的全面快速发展，由导电粒子填充聚合物构成的复合型导电材料越来越受到人们的重视1,2。导电性高分子材料具备许多优异的性能，在抗静电制品、 电磁波屏蔽、敏感元件、复合薄膜、微型开关等许多领域都获得了广泛的应用3-7。 在各种聚合物基体中，ABS作为通用塑料，以产量大、性能好、价格低等优点得到 大量应用。但ABS的体积电阻率较高，为了获得低电阻率的ABS复合材料，常在 ABS 中添加导电填料，降低其电阻率。在各种导电填料中，石墨被普遍用于聚合物 导电填料。这是因为其资源丰富，价格低廉，导电性持久稳定。本文用 ABS 做基体，石墨作导电填料，通过机械共混法制备导电复合材料。采用 扫描电子显微镜观察导电复合材料的形态结构。采用高阻计和数字万用表测试了复 合材料的电阻率。采用万能试验机测试了复合材料的拉伸强度。研究了石墨填料对 ABS 基复合材料电学性能和力学性能的影响。1 实验部分1.1 原材料天然鳞片石墨：碳含量99%，天津市开发区乐泰化工有限公司；ABS： PA757，台 湾奇美公司；钛酸酯偶联剂：TC-27，天长市宏盛精细化工厂。1.2 试样制备将ABS颗粒和石墨粉末投入双辊混炼机中，170°C下混炼15分钟，放入平板硫化 机中，在160C，20MPa下压制15分钟；热压成型制得ABS/石墨导电复合材料样片。 试样为长度50mm，宽度15mm，厚度3mm的样片。1.3 性能测试ABS/石墨复合材料的微观分散形态用日立S4800扫描电子显微镜。ABS/石墨复合 材料的电阻率检测在北京华晶汇科贸有限公司的EST120数字高阻仪和深圳市胜利 高电子科技有限公司的VICTOR6266数字万用表测试°ABS/石墨复合材料的拉伸强度 和断裂伸长率在深圳市凯强利有限公司生产的WDT-90电子万能试验机上进行。 2结果与讨论2. 1 石墨含量对导电复合材料导电性能的影响ABS/石墨导电复合材料的导电过程是经混炼后，石墨以粒子形式分散于ABS复合 材料中，随着石墨添加量的增加，粒子间距降低，当接近或成接触状态后，形成大 量导电网络通道，使得材料的体积电阻和表面电阻降低，导电性能提高。本文为了 更直观的体现石墨含量对导电复合材料导电性能的影响，将测得的电阻率数据根据 公式：电导率=电阻率的倒数，转化为电导率作图。图 1，当石墨含量比较低时，随着石墨含量的增加，复合材料的电导率略有提高， 从曲线上看，这一段比较平缓，复合材料的电导率提高只是由于石墨的掺杂作用引 起的，复合体系还没有形成导电通路;当石墨含量增加到一定量时，复合材料的电导 率大幅度提高，石墨含量的这一个值称为渗滤阀值9-11。复合材料的电导率大幅度提高，表明复合材料内开始逐步形成导电通路。这种导 电现象被称为 “隧道效应”12。 当石墨含量再增加，导电通路变得密集，复合材 料由石墨粒子相互接触而导电，形成了完整的导电通路，此时，随着石墨含量的增 加，复合材料的电导率几乎不变。图 1：石墨的添加量对复合材料电导率的影响Fig1:Effect of Graphite content on the conductivity of composites)mc/S(ytivitcudno2. 2 偶联剂对复合材料导电性能的影响图 2 ，从图中可看出，加入钛酸酯偶联剂后的复合材料的电导率明显增大，并且 石墨的逾渗滤值也有所减小。这是由于钛酸酯偶联剂可以提高石墨和 ABS 基体的相 容性，使石墨更好的分散开，增加形成导电通路的几率，有利于材料导电性的提高。图 3 ，是加入偶联剂前后的复合材料 SEM 图。从图中可看出， a 中没有添加偶联 剂石墨片层聚集在一起，分散程度差，只是使ABS基体部分导电。b中添加偶联剂 后，石墨片层分散在ABS基体中，构成大量导电通道。因为偶联剂的加入可改变石 墨在 ABS 中的分散性， 石墨粒子相互接触形成导电通道。)mc/S(ytivitcudno图2：偶联剂对复合材料电导率的影响Fig2:Effect of coupling agents on the conductivity of composites5.00umS4800 5.0kV x8.00k SE(U)5.00um S4800 5.0kV x8.00k SE(U)图 3：加入偶联剂前后复合材料的断面 SEM 图Fig3: SEM on the fracture surface of join coupling agent before and after composite2. 3 石墨含量对导电复合材料力学性能的影响图4当石墨含量很少时，石墨能被ABS完全包覆，石墨和ABS相互扩散，两者 之间粘合强度大，因此拉伸强度也大。随着石墨含量的增多，大部分石墨聚集在一 起。石墨与ABS粘合强度低，因此拉伸强度越来越低。图 5，随着石墨含量的增加，复合材料的断裂伸长率急剧下降。石墨填料为高模 量硬性材料，脆性大。同时石墨作为具有表面活性与ABS接触，使其长链结构滑移 困难。所以。随着石墨含量的增加，复合体系的脆性增大，复合体系的断裂伸长率 就会急剧下降。-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Graphite Content (%)505332)aPM(htgnertSelisne图 4：石墨的添加量对复合材料拉伸强度的影响Fig4:Effect of Graphite content on the tensile strength of composites)%(kaerbtanoitagnol图5：石墨的添加量对复合材料断裂伸长率的影响Fig5:Effect of Graphite content on the elongation at break of composites3 结论1. 机械共混法中，导电复合材料的电阻率随石墨含量的增加而降低。石墨的逾渗滤 值约为 40%。当石墨添加量达到 55%之后复合材料的电阻率基本稳定。2. 通过偶联剂改性，改善了石墨在 ABS 基体中的分散性，降低了复合材料的电阻 率，同时也降低了石墨填料在ABS基体中的逾渗滤值。3. 随着石墨含量的增加，复合材料的拉伸强度先增加再减少，当 30%时拉伸强度最 大。复合材料的最大断裂伸长率则呈现一直下降的趋势。参考文献：1 Das N C, Chaki T K, Khastgir D. Effect of filler treatment and crosslinking on mechanical and dynamic mechanical properties and electrical conductivity of carbon black-filled ethylene-vinyl acetate copolymer composites J. Journal of Applied Polymer Science, 2003, 90(8): 2073-2082.2 Hermant M C, Klumperman B, Kyrylyuk A V. Lowering the percolation threshold of single-walled carbon nanotubes using polystyrene/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) blendsJ.SoftMatter,2009,5(4):878-885.3 Biwa S, Watanabe Y, Ohno N. Analysis of Wave Attenuation in Unidirectional Viscoelastic Composites by a Differential Scheme J. Composites Science Attenuation in Unidirectional Viscoelastic and Technology, 2003, 63:237-247.4 Mathew K T, Praveen Kumar A V, Honey J. Polyaniline and Polypyrrole with PVC content for effective EMI shieldingC.IEEE international symposium on electromagnetic compatibility.In Oregon Convention Center of the USA: IEEE, 2006: 443-445.5 Hiroki T, Yoshinori K. Positive temperature coefficient thermistor: US, 6617955 P. 2003-09-09.6 Mauritz K A , Mountz D A, Reuschle D A, et al. Self-assembled organic/inorganic hybrids as membrane materials J.Electrochimica Acta, 2004, 50(2/3): 562-566.7 Balberg I, Azulay D, Toker D, et al. Percolation and tunneling in composite materials J. International Journal Modern Physics, 2004, 18(15):2091-21218 Etcheverry M, Ferreira M L, Capiati N J, et al. Strengthening of polypropylene-glass fiber interface by direct metallocenic polymerization of propylene onto the fibers J. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2008, 39: 1915-1923.9 Li Kan-she, Shao Shui-yuan, Yan Lan-ying. Preparation and characterization of polyaniline/graphite composite J.Polymer Materials Science and Engineering, 2002,18(5):92-95.10 Du F M, Scogna R C, Zhou W, et al. Nanotube networks in polymer nanocomposites: Rheology and electrical conductivity J. Macromolecules, 2004, 37(24):9048-9055.11 Bunde A, Dieterich W. Percolation in composites J. Journal of Electroceramics, 2000,5(2):81-92.12 Hu Ji-wen, Li Ming-wei, Zhang Ming-qiu. A novel method for preparing polyurethane based conductive composites with low percolation threshold J. Chinese Chemical Letters, 2004,15(8):1001-1004.