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1998年玻璃钢/复合材料1998
第5期FiberReinforcedPlastics/Composites№5

聚合物基导电复合材料的导电机理

熊传溪闻荻江

(武汉工业大学材料科学与工程学院武汉400070)(苏州大学化学化工学院)
摘要:本文对炭黑填充聚合物和金属填充聚合物的导电特性和影响导电性能的因素进行了综述。简要地介绍蒙特卡罗统计
方法、凝胶化理论、有效电场理论以及隧道效应等
关键词:炭黑金属复合材料导电机理
长期以来,高分子材料一般作为电绝缘材料使用。典型炭黑/聚合物复合材料的精细结构的研究结
一旦能赋予其导电性;可拓宽其应用领域。为此,近年果表明,导电性不仅可以由炭黑粒子聚集时产生的紧
来,有关导电聚合物基复合材料的研究受到普遍的重密接触面形成,而且同样可以借助电子通道而形成。
视。所谓聚合物基导电复合材料是指以聚合物为基但有一些研究者认为,控制复合材料电阻率的不是炭
体,加入不同导电物质后,经过“无规分布法”和“隔离黑本身而是炭黑粒子之间的间隙〔10、11〕。实际上也有
分离法”等方式处理后,得到的具有导电功能的多相复很多证据支持这一观念〔2〕,包括①电阻率依赖于炭黑
〔～〕
合体系13。由于它既有导电功能,又保持了许多高种类;②电阻率依赖于温度;③复合材料的非线性电流
分子拓料的优异特性,因而被广泛采用.本文主要分炭-电压特性;④复合材料的电镜观察;⑤电阻率的压力
黑填充聚合物、金属填充聚合物以及导电机理进行文依赖性。但这些大部分并不是最后结论,导电通道毫
献综述。无疑问是起作用的。
炭黑填充聚合物导电复合材料还有以下四个特
1炭黑填充聚合物材料〔〕
性12:(1)炭黑的表面化学处理非常重要,如果在配方
炭黑与聚合物的复合源于炭黑补强橡胶,导电性和其它工艺条件相同的情况下,要保持结构的完整性,
炭黑填充聚合物可赋予聚合物材料一定的导电功能。增加体系的导电性,而且在成型加工过程中的能耗较
由于炭黑种类不同。炭黑颗粒大小不同、炭黑本身的低,则需要对炭黑进行表面处理。例如,用15%炭黑
聚集态结构和表面化学结构的差异以及填充的工艺条填充聚氯乙烯,如果把炭黑用1.5%的硬脂酰氯处理,
件不同,所制备的复合材料的导电率变化范围可达14复合体系的熔体表观粘度比没有处理的熔体的表观粘
～15个数量级〔4～8〕。众多的研究结果表明,炭黑粒子度下降一个数量级。(2)用偶联剂对母体进行改性,会
的尺寸越小、结构越复杂、粒子中的孔越多、炭黑粒子使体系的体积电阻率与炭黑用量的关系反“S”曲线发
的比表面积越大、表面极性基团越多以及极性越强,越生改变,随着交联剂的用量的增加,使反“S”曲线的高
易形成具有优良导电性的复合材料。炭黑的结构化、台更高,低台更低;而且渗流阈值减小。(3)复合材料
比表面积和表面化学性质为其三大基本性质。炭黑的的体积电阻率与炭黑用量的关系对频率有很大的依赖
结构越高,则形成链状或葡萄状结构的炭黑粒子聚集性,高频,有利于电荷的迁移。(4)当频率一定时,复合
体数目越多,越易形成空间导电网络。炭黑的比表面材料介电常数随着炭黑用量的增加而显著增加。例
积除炭黑本身的粒度的大小是其重要的决定性因素如,聚乙烯/热裂解炭黑复合材料,当炭黑体积用量从
外,多孔性也是重要的因素。比表面积越大,粒度一般9.1%增为33%时,介电常数可增加近1000倍。
就越小,单位质量下的粒子数目越多,形成空间导电网
2金属填充聚合物
络的几率就越大,炭黑粒子结构上所带的活性极性基
团的含量严重影响炭黑粒子的导电性能,因为这些基与炭黑填充聚合物的导电性复合材料相比,聚合
团能够捕捉π电子,对自由电子的迁移有很大的阻碍物/金属导电性复合材料是相当年轻的,但由于金属比
作用〔9〕。炭黑具有更好的导电性而格外引人注目〔13〕。在50年
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代,Coler〔14〕发表了一个专利,采用细小的铜颗粒在丙Stoke定律,密度高的金属颗粒在流动介质中会发生沉
烯酸类聚合物上进行涂覆而形成导电体,他认为,为了降,如果要得到均匀体系,金属颗粒必须处于悬浮状
使铜粒子形成导电网络,所用金属颗粒的有效直径应态,这就要求聚合物具有适宜的粘度。用预聚物溶液
比塑料颗粒小1/3。这一思想使科学家们意识到一种混合,必须使反应达到一定的程度。(5)如果金属颗粒
降低金属填料用量的重要途径,即改变聚合物颗粒半粒径小(<5μm),二种组分的静电荷差别,可制成隔离

经Rp与金属颗粒半径Rm之比。在以后的30年中,复合材料。在正常的共混过程中,由于电荷作用,使每
出现了两种在聚合物母体中填充金属颗粒的方法,即个聚合物微粒周围至少环绕着部分单层的金属。聚合
所谓的“无规分布法”和“,隔离分离法”。在无规分布物颗粒聚集时,这种高度结构化的金属变为一种集结
方法中,依循的是渗