1、.填充型聚合物導(dǎo)電材料的研究與應(yīng)用.報(bào)告目錄報(bào)告目錄一、高分子材料的靜電與危害高分子材料的靜電與危害二、聚合物導(dǎo)電材料制造方法與種類二、聚合物導(dǎo)電材料制造方法與種類三、填充型聚合物導(dǎo)電材料的分類三、填充型聚合物導(dǎo)電材料的分類四、碳系材料填充導(dǎo)電聚合物四、碳系材料填充導(dǎo)電聚合物五、主要研究目標(biāo)五、主要研究目標(biāo)六、主要研究?jī)?nèi)容與方法六、主要研究?jī)?nèi)容與方法七、考核目標(biāo)七、考核目標(biāo)八、研究所需主要設(shè)備八、研究所需主要設(shè)備.一、高分子材料的靜電與危害高分子材料的電阻特性高分子材料的電阻特性 絕大多數(shù)為絕緣體，表面電阻大于1012高分子材料的靜電危害高分子材料的靜電危害 高分子材料的靜電積聚與靜電放電 （

2、走過(guò)合成纖維地毯：35000V；翻閱塑料說(shuō)明書7000V） 靜電放電對(duì)靜電敏感材料的危害 輕質(zhì)油品, 火藥, 固態(tài)電子器件.二、聚合物導(dǎo)電材料制造方法與種類二、聚合物導(dǎo)電材料制造方法與種類 抗靜電劑型和抗靜電劑型和IDP (Inherent Dissipative Polymer) 填充型導(dǎo)電高分子材料填充型導(dǎo)電高分子材料 ICP (Inherent Conductive Polymer).抗靜電劑型和抗靜電劑型和IDP抗靜電機(jī)理：抗靜電機(jī)理：傳導(dǎo)或吸收靜電荷并使其消散在大氣中傳導(dǎo)或吸收靜電荷并使其消散在大氣中潤(rùn)滑作用，減少高分子材料與其他材料見(jiàn)潤(rùn)滑作用，減少高分子材料與其他材料見(jiàn)摩擦力的產(chǎn)生

3、；摩擦力的產(chǎn)生；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：表面電阻高，表面電阻高，1091014依賴于環(huán)境濕度（RH40%以上）導(dǎo)電物質(zhì)的表面聚集，耐久性差、手感不好.填充型聚合物導(dǎo)電材料填充型聚合物導(dǎo)電材料導(dǎo)電物質(zhì)導(dǎo)電物質(zhì)聚合物聚合物 導(dǎo)電導(dǎo)電聚合物聚合物金屬纖維金屬纖維金屬粉末金屬粉末碳材料碳材料IDP金屬鹽金屬鹽.填充型聚合物導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理填充型聚合物導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理tC0)(0C導(dǎo)電粒子的電阻復(fù)合體系的電阻臨界體積/重量含量 t 普適臨界指數(shù)abcabcPercolation Theory.ICP( Inherent Conductive Polymer) 聚乙炔聚乙炔聚吡咯聚吡咯聚噻吩聚噻吩聚苯胺聚苯胺.不

4、同導(dǎo)電填料聚合物性能的比較不同導(dǎo)電填料聚合物性能的比較.三、填充型聚合物導(dǎo)電材料的分類三、填充型聚合物導(dǎo)電材料的分類分類標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)材料的體積電阻或表面電阻分類標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)材料的體積電阻或表面電阻抗靜電型抗靜電型靜電放電型靜電放電型(ESD, Electrostatic Dissipative)電磁波干擾屏蔽型電磁波干擾屏蔽型(EMI, Eletromagnetic Interference).四、碳系材料填充導(dǎo)電聚合物四、碳系材料填充導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電碳黑、石墨和碳纖維導(dǎo)電碳黑、石墨和碳纖維新型碳材料的應(yīng)用新型碳材料的應(yīng)用氣相生長(zhǎng)碳纖維氣相生長(zhǎng)碳纖維1.1. 碳納米管碳納米管.碳黑填充聚合物材料碳黑

5、填充聚合物材料碳黑的形態(tài)碳黑的形態(tài)Primary Particle10nmAggregate submicronAgglomeratesmicron.碳黑的基本特征與表征碳黑的基本特征與表征結(jié)構(gòu)與聚集尺寸：形狀與聚集體的支化度（結(jié)構(gòu)與聚集尺寸：形狀與聚集體的支化度（DBP值；圖像分析）值；圖像分析）粒徑：粒徑：8300nm（吸碘、吸氮值）（吸碘、吸氮值）表面活性（表面活性（STM)孔隙率：孔隙率：物理形態(tài)物理形態(tài)碳黑表面的碳黑表面的STM圖圖.高結(jié)構(gòu)碳黑的結(jié)構(gòu)特征高結(jié)構(gòu)碳黑的結(jié)構(gòu)特征高支化度高支化度高高DBP值（值（170ml/100g)高高“空洞空洞”體積體積高結(jié)構(gòu)碳黑的高結(jié)構(gòu)碳黑的TEM照

6、片照片.高結(jié)構(gòu)碳黑的性能特點(diǎn)高結(jié)構(gòu)碳黑的性能特點(diǎn) 較長(zhǎng)的混合時(shí)間較長(zhǎng)的混合時(shí)間 較好的分散性較好的分散性 較高的擠出速度較高的擠出速度 較高的硬度較高的硬度 較高的模量較高的模量 較低的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度較低的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度 更靈活的復(fù)合方式更靈活的復(fù)合方式 更好的表面石墨化程度更好的表面石墨化程度 低填充條件下的高導(dǎo)電性低填充條件下的高導(dǎo)電性.不同結(jié)構(gòu)度碳黑導(dǎo)電行為的比較PC/碳黑HDPE/碳黑碳黑結(jié)構(gòu)度順序：E350GE260GE250G.碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的應(yīng)用領(lǐng)域碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的應(yīng)用領(lǐng)域 電子工業(yè)（傳送帶、IC托架、ESD薄膜） 電纜（電力、通訊） 管材（水、天然氣、灌

7、溉、排污） 纖維（紡織品、地毯） 薄膜（包裝、農(nóng)業(yè)、建筑、防護(hù)）碳黑填充聚合物主要作用ESD材料使用，其表面電阻一般為：106109.碳黑填充型聚合物導(dǎo)電材料導(dǎo)電性的影響因素聚合物/碳黑作用碳黑類型碳黑分散成型方法成型條件聚合物形態(tài)聚合物類型導(dǎo)電性.碳黑分散狀態(tài)對(duì)導(dǎo)電性的影響碳黑分散狀態(tài)對(duì)導(dǎo)電性的影響 碳黑分散狀態(tài)與碳黑碳黑分散狀態(tài)與碳黑-碳黑、碳黑碳黑、碳黑-聚合物分子間作用力的關(guān)系聚合物分子間作用力的關(guān)系fpffUU與聚合物浸潤(rùn)性差，碳黑自聚嚴(yán)重，阻礙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成fpffUU與聚合物相容性好，聚合物在碳黑表面形成表面層，碳黑過(guò)度分散，在基體中形成孤立的島狀結(jié)構(gòu)解決方法與難點(diǎn)：對(duì)碳黑表面進(jìn)

8、行化學(xué)改性，使表面同時(shí)具有和聚合物不同相容性的區(qū)域或基團(tuán)，調(diào)節(jié)上述兩種作用力，使處于一個(gè)中間狀態(tài)。.碳黑的表面處理方法碳黑的表面處理方法表面化學(xué)接枝（小分子或高分子）調(diào)節(jié)聚合物與導(dǎo)電粒子之間的相容性；有分子鏈的阻隔，可以防止導(dǎo)電粒子的凝集；有分子鏈的連接，導(dǎo)電粒子之間互相牽制，使導(dǎo)電粒子難以遷移。YXXXYYY+導(dǎo)入可反應(yīng)端基的導(dǎo)電粒子X(jué) = -COOH etcY = -OH, -NH2, -NCO, etc 表面化學(xué)氧化 表面等離子體處理 偶聯(lián)劑處理.聚合物類型與碳黑分散的關(guān)系聚合物的極性聚合物的表面張力聚合物的平均偶極矩降低較低的臨界濃度含量不同加工技術(shù)對(duì)碳黑分散的影響模壓成型：熱力學(xué)控制

9、過(guò)程，基本無(wú)剪切，鏈的布朗運(yùn)動(dòng)， 分子鏈的擴(kuò)散；易在材料表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)注射成型：動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程，剪切作用大，碳黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞.加工工藝條件對(duì)碳黑分散的影響加工工藝條件對(duì)碳黑分散的影響混合工藝：混合溫度與時(shí)間，降低體系的粘度、減小剪切作用、縮短混合時(shí)間，避免碳黑的過(guò)度分散與結(jié)構(gòu)破壞；纖維成型：紡絲線上張力的控制；纖維成頸過(guò)程中溫度、速度的控制；拉伸過(guò)程中拉伸倍數(shù)的控制；.聚合物形態(tài)對(duì)碳黑分散的影響結(jié)晶：碳黑存在與聚合物的非晶區(qū)，結(jié)晶使碳黑分布空間縮小，使有效填充體積增大，碳黑堆積更加緊密，使導(dǎo)電性提高。取向：使碳黑發(fā)生取向排列，各向異性增強(qiáng)，導(dǎo)電性有所改善。.碳黑在基體中分散狀態(tài)的表征方法圖

10、像分析法TEMSEMOptical MicroscopyAFMEFM: 采用導(dǎo)電探針SAXS, SANS：碳黑的粒徑，表面積、 聚集度、表面分形指數(shù)SIMS: 碳黑表面活性、碳黑/聚合物相互作用流變學(xué)性能測(cè)定：振蕩剪切、動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試導(dǎo)電性測(cè)定：在碳黑填充量一定的情況下，導(dǎo)電性決定于碳黑的分散狀況AFMEFM.低臨界濃度碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的研究低臨界濃度碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的研究聚合物形態(tài)學(xué)的改變不相容聚合物/碳黑三相體系Poly (ethylene-co-alkyl acrylate)/PBT/CBPoly (ethylene-co-alkyl acrylate)/CBPBTPMMA/P

11、S/CBPMMAPS.雙連續(xù)相形成條件：2121ii發(fā)生相反轉(zhuǎn)的條件在同一加工溫度下，組分i的體積分?jǐn)?shù)與熔體粘度形成雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)，可以使不同聚合物的性能產(chǎn)生協(xié)同作用基于雙重逾滲效應(yīng)，碳黑只要能夠選擇性地分布于某一連續(xù)相中或分布于兩相的連續(xù)界面上就能夠大幅度地降低臨界濃度含量，在保證材料導(dǎo)電性的同時(shí)，大幅改善力學(xué)與加工性能。.微相分離結(jié)構(gòu)（熱塑性彈性體）微相分離結(jié)構(gòu)（熱塑性彈性體）與共聚物特定鏈段的相互作用，有利于碳黑的局部富集，利用發(fā)生微相分離后，相結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，也可以達(dá)到降低碳黑填充量的目的。PU發(fā)生微相分離的AFM照片.其它碳材料填充聚合物導(dǎo)電材料其它碳材料填充聚合物導(dǎo)電材料Cabon n

12、anotubeVGCFCarbon fiber1Diameter (nm)10100100010000.具有較大的長(zhǎng)徑比，因此在較低的填充量下，復(fù)合材料就能獲得較好的導(dǎo)電性，因此加工性能優(yōu)越；導(dǎo)電結(jié)構(gòu)依靠化學(xué)鍵結(jié)合，對(duì)各種加工方法的適應(yīng)性好；由于導(dǎo)電成分本身的導(dǎo)電性能好，因此可以彌補(bǔ)目前碳黑型不能用于EMI材料的缺陷；除了具有導(dǎo)電性以外，還能賦予材料導(dǎo)熱、高強(qiáng)的性能。.碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的其它用途碳黑填充聚合物導(dǎo)電材料的其它用途PTC( Positive Temperature Coefficient )材料在聚合物熔點(diǎn)附近，晶區(qū)熔融，分子鏈活動(dòng)加劇，有效填充含量降低，碳黑發(fā)生聚集和遷移，

13、導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化，從而引起電阻的變化。用途：熔斷器，自溫控調(diào)節(jié)器，加熱原件.化學(xué)傳感器（化學(xué)傳感器（Chemical Sensor）.五、主要研究目標(biāo)碳黑導(dǎo)電纖維的研制碳黑導(dǎo)電纖維的研制根據(jù)目前國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電纖維的研究和開發(fā)現(xiàn)狀，針對(duì)制約其質(zhì)量與水平提高的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究；目前主要以通過(guò)碳黑的表面化學(xué)改性方法，控制碳黑在基體中的分散程度，并努力降低碳黑的添加量，改善填充體系的加工性能；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)紡絲工藝參數(shù)的研究，尋求兼顧纖維導(dǎo)電性與力學(xué)性能的工藝條件；研制聚酯基導(dǎo)電纖維，針對(duì)碳黑易引起聚酯的分子量降解問(wèn)題，提出解決方案。石墨石墨/ /聚合物導(dǎo)電材料的研究聚合物導(dǎo)電材料的研究由于石墨本身具

14、有比碳黑更優(yōu)的導(dǎo)電性、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和一定的導(dǎo)熱性能，加之納米插層制備復(fù)合材料技術(shù)的逐步完善，主要通過(guò)對(duì)不同插層劑、不同插層方法的研究，制備石墨/聚酯導(dǎo)電復(fù)合材料。石墨/聚酯復(fù)合材料的制備導(dǎo)電纖維的探索。多嵌段共聚物在導(dǎo)電纖維領(lǐng)域的應(yīng)用 主要研究熱塑性聚氨酯和聚醚酯的化學(xué)組成、形態(tài)變化對(duì)材料導(dǎo)電性的影響，為高彈性導(dǎo)電纖維的研制做好積累。.填充型聚合物導(dǎo)電材料的功能器件研制 充分的市場(chǎng)調(diào)研，掌握企業(yè)需求，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行分析，找到進(jìn)入該領(lǐng)域的切入口。 新型碳材料在聚合物導(dǎo)電材料領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究先期以VGCF為起點(diǎn)，主要開展VGCF在不同聚合物體系、不同混合工藝條件下的分散技術(shù)；緊跟國(guó)內(nèi)CN

15、T產(chǎn)業(yè)化步伐，積極準(zhǔn)備CNT在功能器件方面的文獻(xiàn)與產(chǎn)業(yè)調(diào)研。VGCF的聚集狀態(tài)照片.六、主要研究?jī)?nèi)容與方法六、主要研究?jī)?nèi)容與方法碳黑的表面處理 主要以表面氧化、化學(xué)接枝、偶聯(lián)劑處理為主，研究處理方法對(duì)碳黑結(jié)構(gòu)度、與基體聚合物相容性的關(guān)系；碳黑在拉伸過(guò)程中，特別是成頸過(guò)程中的形變的機(jī)理研究碳黑/聚酯的相互作用及降解抑制方法研究不同表面處理碳黑與聚酯的相互作用與降解動(dòng)力學(xué)，力圖通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砼c抗氧化劑相結(jié)合的方法，抑制分子量的降低；納米材料/聚酯/碳黑三元體系的采用，利用納米材料的增強(qiáng)作用，彌補(bǔ)由于分子量下降導(dǎo)致的材料力學(xué)性能的變劣；同時(shí)考察納米材料對(duì)復(fù)合體系導(dǎo)電性的影響；插層法制備石墨/聚合物復(fù)合材料的研究石墨的剝離，了解剝離前后材料導(dǎo)電性的變化程度；1.不同氧化劑、插層劑對(duì)原位插層聚合反應(yīng)的影響；控制剝離后石墨片層的尺寸；采用雙螺桿擠出制備石墨/聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料；.七、主要考核指標(biāo)七、主要考核指標(biāo) 形成聚酯、聚酰胺導(dǎo)電纖維