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84炭黑/聚合物基PTC复合材料研究新进展2005年9月

炭黑/聚合物基PTC复合材料研究新进展

程丝,闻荻江
(苏州大学材料学院,苏州215021)
摘要:对聚合物基PTC材料的研究现状及导电机理进行概述,对最近提出的新理论,应力模型和双临界物理模型作详
细介绍,并对该类材料的研究展望作详细论述。
关键词:炭黑;聚合物;复合材料;PTC材料
中图分类号:TQ327文献标识码:A文章编号:1003-0999(2005)05-0048-04

有些导电材料随着导电填料含量的增加,复合降低甚至消失。采用辐射交联的方法和热处理的方
材料的电导性能往往不是线性增加而是在某一临界法可有效提高材料的稳定性。辐射不仅诱导基体分
值(阈值)附近突然增加几个数量级,即产生所谓的子链产生交联,而且导致分子链与CB粒子之间、CB
渗流现象,任何具有渗流导电性质的复合材料都会粒子本身形成CB聚集体,限制CB及其聚集体在基
具有PTC性质[1]。PTC效应即电阻正温度系数现体中的运动。
象。随着温度的上升,材料的电阻率增大,在某特定1.2提高材料的PTC强度
温度值附近发生开关性的急剧跃升。材料由良导体LouShijian[2]研究不同的炭黑粒子对PTC聚合
变为不良导体甚至绝缘体,从而具有开关特性。具物复合材料的影响,认为尺寸颗粒大、表面积小和具
有PTC特性的材料广泛用于制备自限温加热缆和有少量的聚集结构有利于基体PTC强度的提高。
过电流保护元件等。早期PTC材料多为陶瓷基体,在导电填料炭黑中加入少量的碳纤维,碳纤维可起
而后出现聚合物基体的PTC复合材料。聚合物基到远程导电作用。炭黑近程导电,同时对相邻碳纤
体的加工成型简单,成本低,PTC转变温度低。但聚维起桥粱作用,有利于形成导电网络,提高基体的导
合物基PTC复合材料还有许多缺点,如稳定性不电性同时大幅度提高[3]PTC强度。结晶基体中加入
够,多数材料PTC现象后会出现NTC效应等,因此PP成核剂,体系的结晶均匀且细化,晶区与非晶区
目前的研究多为如何改善聚合物PTC材料综合分布均匀;CB分布也趋于均匀,CB聚集体的间隙差
性能。别较小;结晶逐渐熔融后CB聚集体间隙同步增大,
1研究现状电阻率增加的幅度更大,体系的PTC强度增大[4]。
影响聚合物基PTC材料性能的因素很多目前1.3推迟或消除NTC现象
的研究主要集中在以下几个方面。聚合物基的PTC材料在高温区大多会出现电
1.1改善PTC材料的稳定性阻率急剧降低的NTC现象,而这对材料的安全性是
11111高分子基体共混改性及导电填料改性一种威胁,因而许多研究者致力于消除NTC现象。
高分子基体改性分共混(多与EVA、EEA共消除NTC现象通常采用过氧化氢或辐射交联的方
混)、加入PP成核剂、共聚合改性(化学接枝)、等离法,提高聚合物基体的粘度,使聚合物产生一种类似
子处理等方法。对炭黑(CB)表面改性的方法有偶凝胶的结构,从而使炭黑在聚合物基体中的分布趋
联剂处理、表面化学接枝和表面化学氧化等。其目于稳定。Jiyunfeng[5]等人制备的导电复合材料由
的是为了提高基体和炭黑之间的相互作用,降低炭两种不能混合的聚合物进行融混,通常一种为
黑粒子的运动能力。HDPE,另一种为PVDF或ETFE(四氟乙烯2乙烯共
1.1.2交联和热处理聚物)等一类熔点更高的化合物。炭黑含量低时炭
由于聚合物基PTC材料的稳定性不够,经过一黑填充的HDPE为连续相,PVDF为分散相。随着
段时间使用(相当于多次热循环)后PTC强度显著炭黑含量的增加,它们形成网络结构。温度低于

收稿日期:2004211204
作者简介:程丝(19752),女,硕士,主要研究方向为功能高分子材料。

FRP/CM2005.No.5

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2005年第5期玻璃钢/复合材料94

PVDF的熔点时,PVDF相限制HDPE相的自由膨型和双临界物理(BCP)模型。
胀,阻碍了HDPE相中炭黑的移动形成新的导电网21111应力模型[8]
络。仅当温度高于PVDF的熔点时炭黑才能自由移体积变化和结构的改变一直被认为是导致高分
动,从而推迟了NTC现象的出现。子复合材料出现PTC特性的主要因素,但始终不能
Y.Bin[6]不采用常规的捏合加工方法,通过溶将这两种因素有机地统一起来。两者也无法统一合
液的凝胶/结晶作用制备PE/CB复合材料。低熔理地解释结晶性、非晶性包括热固性等不同类型高
融指数UHMWPE网络结构的存在很好地限制了分子PTC材料在不同温度中表现出来的不同电学
LMWPE链的移动,