高密度聚乙烯納米石墨導電納米復合材料壓敏特性研究

1、盧金榮 等:高密度聚乙烯 /納米石墨導電納米復合材料壓敏特性研究 1411高密度聚乙烯 /納米石墨導電納米復合材料壓敏特性研究 *盧金榮,吳大軍,吳翠玲,陳國華(華僑大學 材料科學與工程學院,福建 泉州 362011 * 基金項目 :國家自然科學基金資助項目:No:29874016, 20174012. 收稿日期:2004-03-13 通訊作者 :陳國華作者簡介:盧金榮 ,男,福建漳州人,碩士研究生,從事導電復合納米材料的研究摘 要:以高密度聚乙烯(HDPE 為基體,納米石 墨為導電填料, 通過雙輥混煉制備了具有良好壓敏特 性的導電納米復合材料。 研究了納米石墨復合材料的 電學性能及壓敏性能,

2、 討論了納米石墨含量以及加壓 次數(shù)對導電復合材料壓敏特性的影響。 關鍵詞:壓敏;高密度聚乙烯;納米石墨中圖分類號:TB33 文獻標識碼:A 文章編號:1001-9731(2004增刊1 引 言聚合物基導電復合材料在不同的外力、溫度和 電壓等作用下, 表現(xiàn)出一些特殊效應, 如壓敏效應 1、 拉敏效應 2、 PTC(Positive temperature coefficient效 應 3、電流電壓非線性 4等等。由高密度聚乙烯和納米石墨復合而成的納米導 電復合材料有良好的導電性能、 壓敏特性以及力學性 能。納米石墨薄片徑面面積大(達微米級 ,施加外 壓后, 被絕緣基體隔離開的納米石墨微片由于相互

3、間 的間距減少(<10nm會產(chǎn)生強的隧道電流,同時施 加的外壓使得材料內(nèi)部導電通道密度增加, 這兩個因 素都使得復合材料整體電阻率下降, 因此復合材料具 有良好的壓敏特性。2 實 驗2.1 壓敏材料的制備將高密度聚乙烯、 納米石墨按一定比例混合, 經(jīng) 過 140、 15min 雙輥混煉,然后冷壓成型,切割成 壓敏薄片材料。 2.2 壓敏材料的性能測試采用兩塊鋼板作為電極, 從下往上逐步加壓。 用 UT70A 萬用表測試電阻,電流方向與電壓方向平行。3 結果與討論3.1 壓敏材料電阻率與納米石墨含量的關系壓敏材料的電阻率隨納米石墨含量的增加而減 少。 納米石墨的片型結構易于形成導電網(wǎng)絡,

4、與普通 石墨相比由納米石墨復合而成的納米導電材料有較 低的滲濾閾值。由圖 1可知,當納米石墨含量達到 14%15%(質(zhì)量百分比時,復合材料中的導電網(wǎng) 絡便已經(jīng)形成, 此時復合材料的電阻發(fā)生突變, 材料 電阻率迅速下降。圖 1 HDPE/納米石墨壓敏材料電阻率與納米石墨含量的關系Fig 1 Resistivity as a function of graphite nanosheetscontent in composite with HDPE 3.2 納米石墨含量對材料壓敏性能的影響圖 2為納米石墨含量不同、 其它條件相同的壓敏 材料壓力與相對電阻關系圖。 由圖 2可看出, 納米石 墨復合材料

5、具有較好的壓敏特性,從 01000psi 的 壓力范圍內(nèi), 壓力與材料相對電阻的關系幾乎呈線性 關系,這與 Simons 量子隧道導電理論相一致 6。從 圖中可知在一定范圍內(nèi)(石墨含量高于滲濾閾值 , 納米石墨的含量越高, 材料的壓敏特性越好。 這是因 為在較高含量的復合材料中, 導電粒子較多, 受壓后1412 2004年增刊(35卷更易形成新的導電通道, 導電通道密度更高, 材料電 阻率下降幅度也就比較大,因此有較好的壓敏特性。 但若納米石墨用量過多, 復合材料中將會形成足夠多 的導電通路,那么材料將不呈現(xiàn)壓敏性。圖 2 HDPE/納米石墨壓敏復合材料相對電阻-壓力的關系Fig 2 Depe

6、ndence of relative resistance of HDPE/graphite nanosheets composite on applied pressure圖 3 HDPE/納米石墨壓敏材料經(jīng)循環(huán)壓縮的電阻-壓力關系圖Fig 3 Dependence of resistivity of HDPE/graphitenanosheets composite on applied pressure under cyclic compression3.3 循環(huán)壓縮對材料壓敏性能的影響從圖 3可看出經(jīng)過反復壓縮后, 復合材料壓敏特 性的重復性良好。 由圖可知經(jīng)過反復循環(huán)壓縮后, 復 合

7、材料的電阻率發(fā)生了一些變化, 隨著壓縮次數(shù)的增 加, 材料電阻率逐漸減少并且趨于穩(wěn)定。 這是因為聚 合物基體樹脂的形變具有時間依賴性,材料受壓后, 聚合物基體無法立刻恢復形變, 因此材料受壓后再進 行重復壓縮時 , 復合材料的導電通路密度已較高 (未恢 復至施壓前的狀態(tài) , 所以復合材料電阻率相對降低。4 結 論(1以 HDPE 為基體樹脂,納米石墨為導電填 料的納米復合材料具有良好的壓敏特性、電學性能, 并且易于加工制備。P/psi(2 HDPE/納米石墨復合材料的壓敏特性具有 導電填料含量依賴性, 在一定范圍內(nèi), 導電填料的含 量越高,壓敏特性越好。但若導電填料的含量過高, 使得復合材料中

8、的導電通路數(shù)目達到飽和, 那么材料 無壓敏特性。 參考文獻:1Job A E, Oliveira F A, Alves N, et al. J. Synthetic Metals, 2003, 135-136:99. 2Kimura T, Yoshimura N, Ogiso T, et al. J. Polymer, 1999, 40:4149. /K ·c m3 Meyer J. J. Polymer Engineering Science, 1973, 13(6: 462. 4Chen Guohua, Weng Wengui, Wu Dajun, et al.J. Journa

9、l of Polymer Science , 2004, 42:155. 5Simons JG.J. J Appl Phys , 1963, 634:1793.P/psiStudy on pressure-sensitivity of HDPE/graphite nanosheetsnanocompositeLU Jin-rong, WU Da-jun, WU Cui-ling, CHEN Guo-hua(College of Materials Science and Engineering , Huaqiao University , Quanzhou 362011, ChinaAbstract :HDPE/graphite nanosheets nanocomposite was fabricated with HDPE as resin, graphite nanosheets as conductive filler. The pressure-sensitivity and electrical behavior were investigated in detail. The influence of graphite nanosheets weight fraction