复合型导电高分子材料导电性能影响因素研究概况_周祚万
ZnO晶须
ZnOw晶须及ZnOw/NR复合材料的研究摘要：本文介绍了制备氧化锌晶须的两种方法，包括气相法和液相法。
分别举例说明了两种方法的原理、操作方法和不足之处。
考虑到不同的制备方法对氧化锌晶须的性能有不同程度的影响，本文主要以液相法生成氧化锌晶须为例，说明了反应物的配比、初始锌离子的浓度和反应温度等影响因素。
最后主要描述了ZnOw/NR复合材料的导电性能、强度和抗老化性能和其应用。
关键词：氧化锌晶须气相法液相法影响因素ZnOw/NR复合材料性能应用1、引言晶须包括金属晶须、无机晶须和聚合物晶须。
而高分子改性所用的晶须主要有聚合物和无机晶须。
氧化锌晶须属于无机晶须，它是生长成四针状的单晶体微纤维，四根针均从中心向空间三维方向展开，这在晶须中是独一无二的。
目前氧化锌晶须作为复合材料的增强与改性成分，已制成的多种耐热、耐磨、耐腐蚀、高强度的新型高性能材料被广泛应用于机械、电子、汽车等工业领域。
2、氧化锌的制备和影响因素2.1制备方法2.1.1气相法气相法包括预氧化气化法、预氧化催化氧化法、平衡气量控制法，其中，预氧化气化法是将锌粉置于水或其它介质中浸泡70h以上，然后烘干，使其表面生成一层氧化膜，然后将其至于加热炉中，在含氧气氛中加热，最佳温度为900~1100℃加热时间为30~90min。
该法所得产品纯度和产率均较高，但对设备要求较严。
2.1.2液相法在高碱度条件下，以液相—恒温陈化法制备出形貌较好、纯度较高的氧化锌晶须。
该法的工艺简单，反应条件温和，且制备出的晶须性能良好。
2.2制备氧化锌的影响因素不同的制备方法，影响因素影响的结果是不相同，我们主要介绍液相法制备氧化锌晶须的影响因素，其影响因素如下：（1）反应物的配比的影响：在杜娜等人的研究基础上，发现制备氧化锌晶须存在最适宜的物质的量比范围，当物质量比超出这个最佳物质的量比范围，晶须产率都会有不同程度的降低。
（2）初始锌离子的浓度影响：其他反应条件相同，初始反应浓度的不同影响初始生成的晶核的数量，杜娜等人的研究证明：当反应物浓度较小，形成的晶核没有足够的生长基元使之成为长径比足够大的晶须；反应物浓度增大后，晶体按照其生长习性生长成为长径比更大的晶须；合成氧化锌晶须较为合适的初始锌离子浓度为0.2~0.3mol/L 。
导电高分子材料的研究进展及其应用
导电高分子材料的研究进展及其应用摘要：本文讲述了导电高分子材料的起源、分类以及特点。
综述了导电高分子材料的研究进展及其在各个领域的应用。
关键词导电高分子研究进展应用一、引言1958 年Natta 等人合成了聚乙炔，但是当时并没有引起其他科学家的足够重视。
自从1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔（Polyacetylene,PA）具有金属导电特性以来[1]，有机高分子不能作为电解质的概念被彻底改变。
现在研究的有聚乙炔(Polyacetylene, PAC)、聚吡咯(Polypyrroles,PPY)、聚噻吩(Polythiophenes, PTH)、聚苯胺(Polyaniline,PAN)、聚对苯(Polyparaphenylene, PPP)、聚并苯(Polyacenes,PAS)等,具有许多特殊的电、光、磁和电化学性能。
也因此诞生了一门新型的交叉学科-导电高分子。
这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发现和发展为低维固体电子学,乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献,进而为分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。
所谓导电高分子是由具有共轭∏键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。
它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。
导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件, 以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。
因此, 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。
经过近30多年的发展，导电高分子已取得了重要的研究进展。
二、导电高分子材料的分类按照材料结构和制备方法的不同可将导电高分子材料分为两大类:一类是结构型(或本征型) 导电高分子材料,另一类是复合型导电高分子材料。
ConductivePolymer-Composite：导电高分子复合材料
Conductive Polymer-Composite Sensor for Gas Detection Maximiano V. Ramos, Ahmed Al-Jumaily and Venkata S. PuliDiagnostics and Control Research CentreEngineering Research Institute,Auckland University of Technology, Auckland, New Zealand*************.nz, ***************.nzAbstractConductive polymers with carbon black filler were prepared for gas sensor application utilising ultrasonic mixing. The composite sensors were exposed to different types of gases and the resulting changes in the resistivity were recorded. The effects of ultrasonic mixing and sensitivity of the composite sensor to various organic gases were examined.Keywords: gas sensor, carbon black, PMMA, ultrasonic, mixing1 IntroductionThere has been great interest in the study of conductive polymer composites for various industrial applications. Mixing conductive particles with insulating polymers can modify its electrical properties. The most common conductive filler used is carbon black (CB). The CB/polymer composites have been studied for their Positive Temperature Coefficient (PTC) effect and gas vapour sensing applications [1-9].Some electrically conductive polymer composites show PTC behavior during one temperature range followed by negative temperature coefficient (NTC) behavior during the next range. The change normally occurs at a well-defined switching temperature. The switching temperature may be defined as the temperature below which the composite exhibits PTC characteristics and above which the composite exhibits NTC characteristics. Providing that certain conditions are fulfilled, it has been demonstrated in several moderately high temperature applications that mixing polymers with some types of conductive filler such as CB can produce a composition with a temporary electrical conductivity [1]. This is attributed to the forming of a chain of filler particles (network) that are close enough for an electrical current to flow at certain temperatures and generate heat. This phenomenon is known as percolation. The point at which the network is formed is called the percolation point/limit. Studies have shown that the electrical property of the composite is a direct function of the morphology and location of the CB in the polymer [8-11].Different methods of preparing CB/polymer composites have been employed to improve properties of the material. Some used physical mixing of CB and the polymer matrix and the composite powders are cross-linked [7,8, 10]. Others used in-situ polymerization in the presence of CB [2]. They are also prepared by melt-mixing or solution mixing where CB is mixed with a polymer matrix dissolved in a solvent [3, 9]. For most of these methods, it is difficult to attain good dispersion of the CB into the polymer matrix which affects the percolation limit of the composite. This is due to the strong agglomeration tendency of the CB, limited shear force of the mixer and the high viscosity of the polymer solution.Previous investigations have shown that ultrasonic treatment results in the formation of homogeneous mixtures of both powders [11] and liquids [12]. In this paper, the effect of ultrasonic mixing of CB and polymer powders on the percolation limit of their composites is presented. The composites prepared by this method are tested for their effectiveness for organic gas sensing applications. The main purpose of this composite is two fold. First it is intended to develop an organic gas detector. Once this detector is produced, calibration will be conducted to produce a gas sensor which is capable of measuring the gas concentration in an environment.2 Experimental Procedure Carbon black (CB) powder from Denka Chemicals and poly(methyl methacrylate) (PMMA) beads from ACROS Chemicals were used to prepare the conductive polymer composites. Different ratio of CB and PMMA powders were subjected to ultrasonic mixing using a VibraCell (Sonic and Materials Inc.) ultrasonic mixer. The homogeneous powder mixture was then dissolved in acrylonitrile solution.To produce a gas-detector/sensor, a pasty composite solution of CB/PMMA was uniformly coated onto glass strips fitted with two parallel coils of copper wires serving as electrodes.The main intention of this device is to be used to detect the presence of gas as well as its concentration. To calibrate this, the electrical resistance of the composite has to be determined under various organic gases and at different concentrations.The electrical resistance was recorded using a Hewlett Packard 34401A digital multimeter in the four-wire mode. The change in the electrical resistance of the composites when exposed to organic vapours was determined. Vapours of volatile liquids were generated using a closed glass chamber. A given volume of liquid was injected into the chamber, which had a known volume. The molar vapour concentration c vapor (ppm) was calculated using the sample density d (g/L), molar mass MM (g/mol) and volume V sample (L), as well as the chamber volume V chamber and the molar volume of air (22.4 L/mol):c vapor = [(d x V sample )/MM]/[V chamber /22.4] (1)When the electrical resistance of the composite approached its equilibrium value, the composite sensor was removed from the closed vessel and the change in electrical resistance in air was recorded.3 Results and Discussion The measured resistivity of the CB/PMMA composites is shown in figure 1. This figure shows the variation of the resistivity with % CB by weight in the composites.Figure 1: Resistivity of CB/Carbon Black composite vs. % Carbon Black. It is indicated that as the % CB increases, the resistivity of the composite decreases. The percolation point is located between 2 % to 5 % CB. This value is lower than the values reported in other CB/PMMA composites which were found to display percolation of more than 10 % CB [9]. Figure 2 shows the change of resistivity of the composite sensor when exposed to acetone vapour. The dashed line defines the vapour absorption and desorption zone. This gives a typical dependence of composite resistance on time when exposed to gas vapour. The composite sensor used has 10% CB content. Composite resistance increases during organic vapour absorption and returns to the initial value when vapour desorbs completely in air.300350400450500550R e s i s t i v i t y (o h m s )Time [s]Figure 2: Typical electrical resistance response of CB/PMMA composite to acetone vapour ( 120.6 ppt).The relative electrical resistance response is defined as:(R t – R o )/R o (2)where R o is the initial resistance of the composite and R t the transient resistance upon exposure to the gas vapour.The relative electrical response of CB/PMMAcomposite sensor when exposed to acetone vapour is given in figure 3. The change of electrical resistance in the sensor was monitored when the sensing elementwas exposed to gases. It is clearly indicated that therelative resistivity increases with the time of exposureto the vapour. Repeating the same tests on other gases will produce a trend identical to figure 3. This implies that if several tests are conducted on variousgases, one can establish a trend which will be used asa scale for the sensor.Different vapours will result in different dependencies of electrical response on vapour concentration. This may then be used to quantify and distinguish different vapour species. Currently the authors are obtaining some more experimental results which we anticipate to put in the final version of the paper.The absorption and desorption kinetics of the CB/PMMA composite in acetone vapour were modelled using the transient response data shown in Figure 2. The model for the transient response is assumed to be given by a sum of exponentials such as:R t = R ∞ + Ae -αt + Be -βt + Ce -γt + (3)The transient response model for the adsorption stage is estimated by the equation:R t = 518-237.68e -0.00003304t +30.25e -0.000070t (4)This gives a reasonable agreement with the transient response data obtained from the experiments as shown in Figure 3.For the desorption stage, the response model is given by:R t =309.396+140.36e -0.00036514t +49e -0.002t (5)Again, very good agreement between the response model and the experimental data is observed for the desorption stage as shown in Figure 4. It is alsoapparent that the time response in the desorption stageis much faster than in the adsorption stage. For the slowest pole the desorption stage is faster than theadsorption stage by a factor of 10. 00.10.20.30.40.50.60.71000020000300004000050000600007000080000Figure 3: Time dependencies of relative electrical resistance response of CB/PMMA composite in acetone vapours (120.6 ppt).Figure 4: Transient resistance response model of CB/PMMA composite in acetone vapours (120.6 ppt)-(adsorption stage).Figure 4: Transient resistance response model of CB/PMMA composite in acetone vapours (120.6 ppt)- (desorption stage). 4 Conclusion The results have shown that CB/PMMA composite has potential for detecting gas vapours. The use of ultrasonic mixing to prepare the compositehas improved the homogeneity of the composite mixture and results in lower percolation rate for CB.The CB/PMMA composites should be tested withvarious types of gas vapours at different concentrationand obtain a kinetic model of the gas detection system.(R t – R o )/R o5 References[1] Al-Jumaily, A.M., Kadhum, H., “ IntelligentConductive Polymer for Combined Sensing-Heating Application”, Proceedings of theInternational Conference on the Science and Technology of Synthetic Metals, ICSM 04, Wollongong, Australia, June 28-July 2,2004. Time [s] [2] Dong, X.M., Fu, R.W., Zhang, B., Rong, M.Z.,“Electrical resistance response of carbon black filled amorphous polymer composite sensors toorganic vapors at low concentrations”, Carbon , pp 2551-2559, 42 (2004).[3] Quercia, L., Loffredo, B. 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导电高分子材料的导电性能研究
导电高分子材料的导电性能研究随着科技的不断发展，导电高分子材料在电子工业、能源领域以及生物医学领域中得到了广泛应用。
导电高分子材料具备传统高分子材料的特点，如轻质、柔性、可塑性好等，同时还具有较好的导电性能，使其在许多领域成为研究的热点。
众所周知，传统塑料是不导电的，这限制了其在电子器件等领域的应用。
然而，通过在高分子材料中加入导电填料，如金属粉末、碳纳米管等，可以改变传统高分子材料的导电性能。
导电填料的添加可以形成电子传导路径，从而实现高分子材料的导电性。
因此，导电高分子材料的导电性能研究具有重要意义。
一种常见的导电高分子材料是聚苯乙烯/碳纳米管复合材料。
研究表明，当碳纳米管的含量达到一定比例后，聚苯乙烯/碳纳米管复合材料的导电性能得到显著提高。
这是因为碳纳米管具有优异的导电性能，在聚合物基体中形成导电网络，从而实现导电性。
目前，研究人员还在不断探索不同类型的导电填料及其在高分子材料中的导电机制，以实现更好的导电性能。
此外，导电高分子材料的导电性能还受到一系列外界条件的影响。
例如，温度是影响导电高分子材料导电性能的重要因素之一。
随着温度的升高，导电高分子材料的导电性能会发生变化。
这是因为温度的升高会影响导电填料与高分子材料之间的相互作用力，从而影响导电性。
因此，对导电高分子材料在不同温度下的导电性能进行研究，对于了解其导电机制具有重要意义。
此外，导电高分子材料的导电性能还受到填料的形态和分散性的影响。
研究发现，填料的形态和分散性对导电高分子材料的导电性能有显著影响。
例如，碳纳米管的长度、直径和形态都会对导电效果产生影响。
当碳纳米管长度相对较短且形态较分散时，其导电性能较好。
因此，在研究导电高分子材料的导电性能时，还需要考虑填料的形态和分散性，以获得更准确的结果。
除了上述因素外，导电高分子材料的导电性能还受到填料含量和高分子材料基体性质的影响。
研究发现，填料含量的增加会显著提高导电高分子材料的导电性能。
导电高分子材料通用课件
加工性能
要点一
总结词
加工性能是导电高分子材料的另一个重要性能参数，它决 定了材料在加工过程中的可加工性和加工效果。
要点二
详细描述
加工性能包括材料的熔融流动性、热稳定性、可塑性和延 展性等。良好的加工性能能够保证导电高分子材料在加工 过程中具有良好的可加工性和加工效果，从而提高材料的 实用性和生产效率。
导电高分子材料通用课件
目 录
• 导电高分子材料的导电机理 • 导电高分子材料的制备方法 • 导电高分子材料的性能参数 • 导电高分子材料的发展趋势与挑战
目 录
• 导电高分子材料在新能源领域的应 • 导电高分子材料在智能材料与器件
01
CATALOGUE
导电高分子材料简介
导电高分子材料的定义
总结词
详细描述
聚合物共混法是通过将导电高分子材料与非 导电高分子材料混合，制备成复合材料的方 法。这种方法可以充分利用各种高分子材料 的优点，制备出性能优异的复合材料，但需 要解决相容性问题，以保证良好的导电性能。
04
CATALOGUE
导电高分子材料的性能参数
电导 率
总结词
电导率是导电高分子材料最重要的性 能参数之一，它决定了材料的导电能 力和效率。
物理掺杂法
总结词
通过物理方式将导电物质掺入高分子材料中， 使其获得导电性能的方法。
详细描述
物理掺杂法是一种简单易行的方法，通过将 导电物质如碳黑、石墨烯、金属纳米颗粒等 掺入高分子材料中，使其获得导电性能。这 种方法工艺简单，成本低，但导电性能受掺 杂物质种类和含量影响较大。
聚合物共混法
总结词
将导电高分子材料与非导电高分子材料混合， 形成具有导电性能的复合材料的方法。
导电高分子复合材料综述
导电高分子复合材料综述导电高分子复合材料是一种结合了导电填料和高分子基体的非金属导电材料。
由于其优异的导电性能和高分子材料的良好工艺性能，导电高分子复合材料在电子、电器、电磁波屏蔽、静电防护等领域得到了广泛应用。
本文将从导电填料、高分子基体、制备方法和应用领域等方面综述导电高分子复合材料的研究进展。
导电填料是导电高分子复合材料中的关键组成部分。
目前常用的导电填料包括金属填料、碳黑、导电纤维和导电聚合物等。
金属填料具有良好的导电性能，但其加工性差，易生锈。
碳黑填料性能稳定，但存在聚集现象，导致流变性能下降。
导电纤维可以提供较高的导电性能，但通常与高分子基体的相容性较差。
导电聚合物由于能够形成连续的导电网络，并且可以与高分子基体较好地相容，因此成为近年来发展的研究热点。
高分子基体对导电高分子复合材料的力学性能、导电性能和工艺性能等起着重要影响。
常用的高分子基体包括聚合物树脂、热塑性弹性体和热塑性聚合物等。
聚合物树脂由于具有良好的力学性能和化学稳定性，因此广泛应用于导电高分子复合材料。
热塑性弹性体由于可以在一定温度范围内恢复弹性，因此在导电弹性体材料中得到了广泛应用。
热塑性聚合物由于具有良好的工艺性能，在导电高分子复合材料中也得到了较好的应用效果。
制备方法是影响导电高分子复合材料性能的关键因素之一、常用的制备方法包括溶液共混法、熔融共混法、反应挤出法和电沉积法等。
溶液共混法通过将导电填料和高分子基体溶解在适当的溶剂中，然后通过挥发溶剂的方式获得导电高分子复合材料。
熔融共混法是将导电填料和高分子基体在高温下混炼，然后通过冷却固化得到复合材料。
反应挤出法是通过聚合反应实现导电高分子复合材料的制备。
电沉积法是将金属填料等导电材料沉积在高分子基体上来制备导电高分子复合材料。
导电高分子复合材料在电子、电器、电磁波屏蔽、静电防护等领域具有广阔的应用前景。
在电子和电器领域，导电高分子复合材料可以用于生产导电薄膜、导线、印刷电路板等；在电磁波屏蔽领域，导电高分子复合材料可以用于制备导电涂层和导电材料；在静电防护领域，导电高分子复合材料可以用于制备静电消除器和防静电材料。
导电高分子材料在光电应用中的研究
导电高分子材料在光电应用中的研究随着科技的不断进步，光电子技术在我们的生活中扮演着日益重要的角色。
而导电高分子材料作为一种新型的材料，在光电应用中展现出了巨大的潜力。
本文将探讨导电高分子材料在光电应用中的研究进展和应用前景。
首先，我们来了解一下导电高分子材料的基本性质。
导电高分子材料是一种能够传导电流的聚合物材料。
相比于传统的导电材料如金属和半导体，导电高分子材料具有重量轻、柔韧性好以及可塑性强等特点。
这使得导电高分子材料在光电应用领域中具备了独特的优势。
导电高分子材料在光电器件中的应用是研究的热点之一。
目前，已有许多导电高分子材料被应用于有机太阳能电池、有机发光二极管（OLED）以及柔性电子设备等。
以有机太阳能电池为例，导电高分子材料作为太阳能电池的光电转换层，能够将太阳能有效转化为电能。
同时，导电高分子材料的柔性特性使得太阳能电池具备了更大范围的应用空间，可以被应用于建筑外墙、交通工具以及可穿戴设备等。
另外，导电高分子材料在光电储能领域也有广阔的应用前景。
光电储能技术是未来能源领域的重要方向之一。
通过将能量转化为电能并存储起来，实现高效利用。
导电高分子材料由于其导电性，可以被应用于光电储能设备中的电池、超级电容器等。
这不仅能够提高储能设备的性能，还可以大大提高储能设备的可靠性和寿命。
然而，导电高分子材料在光电应用中仍面临一些挑战。
首先是导电性能的稳定性问题。
由于导电高分子材料易于因光照、湿度以及温度等环境条件的变化而导致性能的衰减，因此需要通过合理的结构设计和材料改性来提高导电性能的稳定性。
此外，导电高分子材料的制备成本也是一个挑战。
目前，导电高分子材料的制备方法相对复杂且成本较高，需要进一步的研究和发展来降低成本，提高制备效率。
综上所述，导电高分子材料在光电应用中具有巨大的发展潜力。
随着科技的进步和人们对绿色能源的需求增加，导电高分子材料将在太阳能电池、发光二极管、电池等光电器件中发挥重要作用。
导电高分子材料制备及应用研究进展
导电高分子材料制备及应用研究进展摘要：在介绍导电高分子材料导电机理的基础上，对目前最常见的两种导电高分子材料的制备方法进行综述；重点讨论了含大型离域π键导电高分子材料、化学掺杂型共轭结构导电高分子材料和新型本征导电高分子材料等本征型导电高分子材料的制备方法，并研究了金属及其氧化物、碳系纳米材料、有机组分以及新型导电填料等对填充型导电高分子材料导电性能的影响；同时对其在电子电器材料、生物医学以及环境保护等方面的应用进行了总结，展望了新型导电高分子材料未来的应用研究方向。
关键词：导电高分子材料；导电机理；电子电器；纳米粒子随着电子信息技术的不断发展，新型电子电器材料的开发成为目前材料研究领域中的一个热点。
传统的金属类材料成本较高、耐化学腐蚀性不足且加工过程复杂，在使用时有一定的局限性[1–2]。
高分子材料具有质量轻、化学结构灵活、耐湿热性能优异等特点[3]，尤其在其改性之后能够具备良好的导电性能，因此导电高分子材料正在初步取代传统的电子材料[4]。
目前常见的导电高分子材料主要分为两种，一是本征型导电高分子材料，即通过分子设计的方法，使其材料结构内的π共轭结构能够提供一定数量导电载流子，由原来的绝缘材料转化为导电材料[5]，二是填充型导电高分子材料，即在高分子基体中加入一定的导电填料，使其在分子内部形成能够传递电子的粒子链[6]。
笔者在对不同导电高分子材料制备方法进行总结的基础上，讨论了其在电子电器、生物医学以及环境保护领域的相关应用，并展望了导电高分子材料未来的研究发展方向。
1 导电高分子材料的制备二十世纪七十年代，C. K. Chiang等[7]首次制备出了具有导电性能的聚乙炔，导电高分子材料的概念开始兴起，经过四十年的深入研究和发展，各种新型导电高分子材料不断被开发出来，并在电子设备、航天航空以及工业材料领域中展现出广阔的应用潜力。
本征型导电高分子材料和填充型导电高分子材料虽然都具有良好的导电性能，但是合成方法及综合性能有一定的区别，在实际生产中，应当根据高分子材料的使用范围即技术要求选择适当的制备方法。
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第 2 期
周祚万等: 复合型导电高分工条件的影响[ 8] 复合材料的导电性在很大程度上取决于高聚物
与填料的分散状态和导电结构的形成情况。为保证 各组分充分混合, 复合体系必须进行混炼, 但混炼往 往又会破坏填料的组织结构( 如炭黑的链状结构、 ZnOw 的三维立体结构等) , 从而影响导电性能。所 以, 控制混炼条件是十分重要的。挤出时, 受力应尽 可能小, 剪切速度应尽可能低, 以保持导电组织结构 的完整性。加工前物料应尽可能干燥, 因痕量水份或 其它低分子挥发物可能使制品出现气泡或表面缺 陷, 影响导电结构的完整性。加工温度升高或流体熔 体指数增大, 体系的粘度和剪切应力降低, 对导电结 构的完整性有利。延长成型时间和提高成型温度实 际上起到殊途同归的效果。
在碳系填料中, 也可使用碳纤维作导电填料, 其 导电能力介于炭黑和石墨之间。由于具有高强度高 模量和优异的抗腐蚀、耐辐射等性能, 碳纤维导电复 合材料在空间飞行器、军用器材及化工防腐等领域 有良好的应用前景。日本文献[ 5] 报导了一种用于电 池中的高导电率碳纤维。用沉积聚合工艺可使碳纤 维导电率增大 100 倍以上。
对无定型高聚物而言, 冷却速度不会明显影响 导电性; 对结晶或部分结晶高聚物体系而言, 熔体缓 慢冷却可增加结晶度、降低取向作用而使电阻降低。
4 其它因素的影响 4. 1 使用温度
对于以炭黑为填料的体系而言, 当温度高于 T g 或 T f 时, 可能导致炭黑导电组织的破坏。当 T < T f 时, 炭黑组织由高聚物晶态来决定[ 2] , 因为炭黑粒子 与结晶区是不相容的; 当 T = T f , 炭黑粒子在整个体 系中均匀分布而使链式组织破坏, 电阻增大; 当 T > T f, 由于粒子活动性增大又有利于其导电组织的形 成, 电阻下降。
关键词 复合材料, 导电性, 综述
随着高分子材料应用领域的不断扩大和电子产 品及其它功能材料的迅速发展, 人们迫切希望综合 性能优异的导电高分子材料。导电高分子材料一般 分为结构型和复合型两类。结构型导电高分子材料 因受诸多因素限制, 目前尚未进入商品化。相比之 下, 复合型导电高分子材料则 发展迅速, 应用也较 多。但其导电性能的改善及控制则一直是研究的主 要内容之一。本文评述了复合型导电高分子材料的 一些最新研究概况, 着重介绍影响复合型导电高分 子材料导电性能的因素及其改善途径。
1 聚合物结构的影响 聚合物作为复合材料的连续相和粘结体, 其结
构对性能的影响是显而易见的。从结构上讲, 侧基的 性质、体积和数量, 主链的规整度、柔顺性, 聚合度, 结晶性等都会对体系导电性有不同程度的影响。
链的柔顺性决定分子运动能力, 链的运动又直 接影响导电填料分子的表面迁移。因为大多数两极 导电填料是在聚合物的非晶部分靠布朗运动向表面 迁移的[ 1] , 这一运动在聚合物 T g 以上, 是活跃的, 在 T g 以下由于聚合物分子链段运动被冻结而难以进 行。这对于那些靠向表面迁移而导电的抗静电材料 ( 如以表面活性剂为抗静电剂的复合体系) 是十分重 要的。
综上所述, 影响复合型导电高分子材料导电性 能的因素是多种多样的, 除上述因素外, 使用环境、 使用介质、使用时间、加工模具等都会在一定程度上 影响复合体系的导电性能。研究这一课题的目的在 于为进一步开发和使用更多性能优异、导电性可调、 成本低、可精细化的复合材料作理论上的准备, 真正 的意义还在于实际应用。
交联使体系导电性下降, 部分原因是交联使聚 合物结晶性降低, 非晶部分增大的缘故。当然, 交联 影响和阻碍导电粒子的迁移和运动能力亦是重要原 因。
2 导电性填料的影响 导电填料主要有金属和碳系分散体, 导电氧化
物等。 2. 1 金属导电填料
从单一物质的导电性而言, 使用金属粉( 或条) 当然是既有效又经济的。当需要特别高的导电率时, 最好选用银粉和金粉作填料, 当银粉在聚合物体系 中含量为 50% ～55% 时, 体系 Qv 约为 10- 4 8 õcm , 甚至可达 5～7×10- 5 8 õcm 。金粉作导电填料, 也可 以得到 Qv 在 10- 4 8 õcm 数量级的复合材料, 但由于 金银价格昂贵, 使用范围非常受限。金属填充复合材 料的导电率受粉末粒径大小、状态及形状的影响。采 用胶态金属作填料, 体系导电率较高。高分散的金属 微粒在聚合物体系中不能象碳黑那样形成链式组织
参 考文 献
1 孙 酣 经 ( S un Hanjin g) . 功 能 高 分 子材 料 及 应 用 ( Fu nct ional Polymer and A ppl ied) . 北京: 化学工业出版社 ( Beijing: Chemical Indus try Pres s) , 1990: 54～57
炭黑表面的化学组成也会影响复合材料的导电 性能, 表面上含氧基团增多, 会使炭黑颗粒间的接触 电阻增大, 导电性降低。对炭黑进行化学处理可以提 高其分散能力从而提高导电率并改善复合材料力学 性能。
石墨晶体属六方晶系, 呈片层状或鳞片状或粉 末状, 能导电并耐腐蚀, 但不具有炭黑那样的结构化 能力, 故导电性受颗粒粒度并在一定程度上受灰份 含量的影响。在 L DP E 中掺入最优化石墨粉, 可制 得 Qv 为 102～104 8 õcm 的复合材料[ 2] 。
料相比 ZnOw 有以下优点[ 7] : ( 1) 能高效率赋予复合 材料导电性。当三维结构的 ZnOw 分散 到基材中 时, 能形成非常有效的导电通道, ( 三维网状结构) , 与过去的粒状材料相比, 赋予导电性所需的 ZnOw 用量极少。因此, 可在不失去基材原有性能的基础上 获得导电性, 而且因为该导电为电子传导, 稳定性 高。此外, 由于用量少, 获得导电功能的总成本较低。 实验表明, 10% ～30% 体积分数的 ZnOw 与 P P 树 脂复合后, 其体积电阻率为 7. 1×10 8 õcm , 比金属 粉( 如铝粉作填料为 2. 1×102 8 õcm ) 低 1 个 数量 级, 而且该数值在潮湿环境下也不发生明显变化。若 在 ZnOw 表面作镀银处理后制成 ABS/ Z nOw 复合 材料, 其 Qv 为 3. 6×10- 2 8 õcm 。( 2) 复合材料颜色可 调性好。ZnOw 的导电性是利用单晶体本身的导电 能力, 而非借助表面涂层或电镀等方式的二次导电。 该晶须是无色透明的单晶, 本身无发色性, 它可与颜 料等复合而形成各种颜色的材料。( 3) 环境适应性 好。以单晶形式存在的 ZnOw , 其升华点在 1700 ℃ 以上, 热膨胀率为 4×10- 6/ ℃。所以, ZnO w 复合材 料可在较苛刻的环境条件下使用。
处理温度越高, 电阻下降越多。这被认为是该体系呈 负电阻-温度系数的缘故。橡胶在高温进一步交联, 增加了导电粒子彼此接触的机会, 亦是电阻下降的 原因。 4. 2 作用力
根据量子涨落理论[ 9, 11, 12] , 得到了橡胶\ 炭黑体 系电阻 R 随外力 F 变化的关系[ 10] :
R ( f ) = R0 + A F + BF2 A = R0 / k1 l0 , B = PVk1 k 2/ 2l 0 k21 并用实验进行了验证。
P. Sheng 等 人 获 得 了 该 类 体系 的 如 下 关 系 式[ 9] :
Q= Q0 exp[ T 1/ ( T 0 + T ] 胡望宇等人简化成[ 10] :
R = R 0 ex p ( T 1/ T ) 并在橡胶/ 炭黑体系中进行了验证。结果表明在高温 端可用上式很好地描述, 而在低温端 R 几乎不受温 度影响。他们还发现, 经热处理后电阻下降, 而且热
在磁场作用下, 可使磁性金属填料( 如 Ni 粉等) 粒子沿外磁场磁力线分布, 当填料含量达到一定量 时, 体系中可形成连续的链式组织从而显著提高导 电性能。 2. 2 碳系导电填料
碳系导电填料尤其是炭黑是目前复合型导电填 料中应用最广泛的一种。一是因为炭黑价格低廉、适 用性强; 二是因为炭黑能根据不同的导电要求有较 大的选择余地, 聚合物\ 炭黑体系的电阻率可在 100 ～108 8 õcm 之间调整[ 2] , 不仅可以消除和防止静电 积聚, 还可以作面状发热体、电磁波屏蔽以及高导 体、电极材料等; 三是其导电持久稳定。其突出的缺 点是产品颜色只能是黑色而影响外观。作为分散体 的导电填料, 要求炭黑粒度越小越好。粒度越小, 表 面积越大, 越容易分散, 其形成链锁结构的能力越 强, 分散后粒子间的距离越小, 从而导电性越好。
氧化锌晶须( 简写为 Z nO w ) 是一种 n 型半导体 的微晶体, 具有三维空间立体结构—— 由 4 根长 10 ～100 Lm, 直径 0. 1～3 Lm 的针状单晶体构成, 四根 针向空间三维发射, 如 Fig . 1 所示\ . 与传统的导电填
Fig. 1 SEM photo of ZnOw
Vol. 14
1998 年 3 月
高分子材料科学与工程
POL YM ER M AT ERIAL S SCIENCE AND EN GINEERING
No. 2
M a r. 1998
复合型导电高分子材料导电性能影响因素研究概况
周祚万 卢昌颖
( 西南交通大学材料工程系, 成都, 610031)
摘要 从理论和应用的角度分析和评述了高 聚物结构、填 料种类、性 能及用量、加 工条件和使用条件 等因素对复合 型导电高分子材料导电性能的影响, 并对各类填料的实际应用作了分析。
聚合度也显著影响复合材料的导电率。聚合度 越高, 价带和导带间的能隙越小, 导电性越高[ 3] 。但 聚合度太高, 又影响体系的相容性。据报导[ 4] , 五元 杂环聚合物的聚合度为 5 或 6 时, 复合掺杂后即可 产生稳定的双极子, 导电率可达 0. 1 S/ cm 。因此, 选 材时不宜一味追求高聚合度, 而应根据各组分性能 及其它条件综合考虑。对复合型导电高分子体系亦 有此结果。
对橡胶/ 炭黑体系而言, 其用量与体系电阻呈以 下规律[ 1] :