應用于纖維基加熱的聚乙烯/炭黑復合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. H?ndel, G. Seide, T. Gries

亞琛工業大學 紡織技術研究所(ITA)(德國)

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應用于纖維基加熱的聚乙烯/炭黑復合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. H?ndel, G. Seide, T. Gries

亞琛工業大學 紡織技術研究所(ITA)(德國)

本研究的目的在于探討由90%(質量分數)的聚乙烯(PE)和10%(質量分數)的炭黑(CB)組成的復合材料的電導率和發熱性。在該比例下，填料含量超過了滲流邊界值。由該復合材料制備的長絲的導電性較好，其電導率σ=10～50 S/m。與相當于電絕緣體的純聚合物(σ=10-5～10-12S/m)相比，該復合長絲具有相當好的電性能；但與σ值在107S/m范圍內的鐵或銅相比，仍需進一步提高，才能獲得完全導電的聚合物。事實上，正是這種半導體性能，使復合長絲適合應用于纖維基加熱，引起的電損失可以被用于發熱。研究通過改變生產工藝參數，對不同變量的影響進行了分析，并對長絲性能進行了優化。到目前為止，由亞琛工業大學紡織技術研究所(ITA)生產的復合長絲具有個位數級的電導率(S/m)。進一步描述了達10倍的性能提升。

聚乙烯/炭黑復合材料； 電導率； 溫度； 熔融紡絲

1 復合材料生產

采用德國J. Engelsmann AG公司的筒箍混合器生產90%(質量分數)聚乙烯(PE)和10%(質量分數)炭黑的混合顆粒，所用產品(低密度聚乙烯 Lupolen 1 800 S和石墨化炭黑 EC-600 JD)分別來自德國安德巴塞爾工業公司和阿克蘇諾貝爾公司。目前由于采用的是高質量的炭黑，故該混合物價格為12歐元/kg。使用便宜的炭黑應該也可以獲得相似的結果，從而可將混合物價格降至4歐元/kg以下。

PE/石墨化炭黑混合物在德國Brabender公司提供的雙螺桿擠出機上進一步加工，形成均勻的混合物。在此過程中研究了3個工藝參數——加料速度、擠出溫度和擠出機螺桿轉速(表1)的影響。

表1 試驗參數

加料速度(r/min)是以進料螺桿傳輸機的轉速為基礎的。速度越高，擠出機填料也越快。隨著溫度的增加，熔體黏度降低。隨著螺桿轉速的提高，剪切力增加。剪切作用可以粉碎顆粒的聚集體，較高的剪切作用可使炭黑的分布更為均勻。

擠出是在低的螺桿轉速、低的加料速度和低的溫度下開始的。所得粗纖維在水浴中冷卻。當纖維細度保持恒定后，提取試樣。隨后，逐漸增加參數值，5 min后提取下一個試樣。采用Brabender公司的制粒機將所得粗絲切成粒狀。由于所得到的顆粒尺寸很小，很難測試，因此對粗絲進行了各種測試，共制備了31種試樣。

2 電導率的確定

電導率(σ)被定義為電阻率(ρ)的倒數，σ取決于長絲的截面積(A)、長度(L)和電阻(R)：

若將纖維截面看作是圓形的，則截面積可通過測量直徑而確定。直徑可由數顯卡尺測得。為得到平均直徑，每個試樣都在3個不同的位置及2個垂直方向上分別測量直徑，最后計算算術平均值。

電阻采用IsoTech公司的LCR819測量儀，通過測試3個不同長度(30、 50和100 mm)的試樣獲得。長度也可由數顯卡尺測得。根據測量數據繪制電阻-長度曲線圖，由斜率可得出賦范電阻，再由截面積與賦范電阻即可得到電阻率。

3 熱分析

在恒定電壓下，溫度與單絲發熱相關，故被用作單絲發熱的指示器。因此，試樣將在紅外攝像機下觀察2 min。在30 V的直流電壓下，用兩個相隔100 mm的夾具夾住纖維, 應用電流小于0.1 A。同時測量讀取最高的溫度。其中有1例溫度甚至超過100 ℃，80 s后不得不停止該測試，以防止試樣熔融，該試樣如圖1所示。此外，分別測定試樣加熱前后的電導率。

圖1 快速加熱30 s后由紅外攝像機拍攝的試樣圖

4 結果

23維正交設計試驗結果表明, 最重要的參數是擠出機螺桿轉速和擠出溫度，而加料速度的影響并不大。此外，螺桿轉速和擠出溫度之間的相互作用也很重要。電導率對螺桿轉速的依賴性如圖2所示。當加料速度和擠出溫度分別固定為19 r/min和205 ℃時，電導率達最大值，為42.2 S/m。圖3為電導率與擠出溫度的關系圖。當擠出溫度為237 ℃時，電導率具有最大值63.0 S/m。試樣加熱前后的測試表明，熱處理并不會改變它的電導率。

最后，對所有31個試樣作發熱溫度與電導率的關系圖(圖4)。原本預測發熱溫度將隨著電導率的降低而增加，這是因為電阻會將電能轉換成熱能，但實際結果與預測的相反，發熱溫度隨著電導率的增加而增加。

圖2 電導率-螺桿速度關系圖

圖3 電導率-擠出溫度關系圖

圖4 發熱溫度-電導率曲線(加熱前)

5 可能的解釋

理論上，電阻的增加將導致更多的電能轉換成熱能，因此發熱溫度也會隨之增加。但是很明顯，試驗中還存在另一個額外的占據主導地位的物理過程并沒有被考慮到。為了解釋發熱溫度隨著電導率增加而增加的結果，提出了如下模型：碳顆粒的分布形成直線通路，從而使得傳導過程沿著纖維軸向進行。隨著纖維中這些直線通路的增加，每條直線的電阻值基本保持不變，電導率隨之增加。因此，增加的直線通路產生了更多的熱，從而導致了發熱溫度隨著電導率的增加而增加的結果，見圖5。

圖5 單獨PE(a)、超過滲流邊界的PE(b)及具有高電導率和發熱溫度的PE(c)的示意圖

6 與其他研究比較

其他2個當前的研究項目采用同種炭黑對聚丙烯(PP)/炭黑復合材料及聚酰胺(PA)/炭黑復合材料進行了測試。在相同的質量分數比下制得兩種導電復合材料，發現PP/炭黑復合材料的電導率高于PE/炭黑復合材料。

7 展望

生產得到的長絲可以被加工成粒狀，進而可應用于熔融紡絲。研究團隊已嘗試進行了第一次熔融紡絲，其卷繞速度為700 m/min。

服裝工業將會對由90%(質量分數)聚乙烯(PE)和10%(質量分數)炭黑(CB)組成的具有一定熱性能的復合材料的生產特別感興趣，這種纖維被證明是有益的，能應用于可被加熱的外套、帽子、襪子或圍巾等。90%(質量分數)聚乙烯(PE)和10%(質量分數)炭黑(CB)組成的復合材料的另一應用是汽車領域，可用作座椅加熱器。

陳書云 譯 王依民 校

PE/carbon black compounds for fiber-based heating

MerleBischoff,BenjaminGlauβ,AdinaH?ndel,GunnarSeide,ThomasGries

IntitutfürTextiltechnik(ITA)ofRWTHAachenUniversity,Aachen/Germany

The aim of the study is to investigate the conductivity and heat generation of a compound consisting of 90 wt% polyethylene (PE) and 10 wt% carbon black (CB). At this ratio the percolation barrier is exceeded. The produced filaments are highly conductive for polymers with a conductivity of σ=10 S/m to σ=50 S/m. Compared to pure polymer, which is rather an electric insulator (σ=10-5S/m to σ=10-12S/m), this is a quite good property; compared to iron or copper in the range of σ=107S/m further improvement is needed to have a fully conductive polymer. Indeed, this semiconductive property is the reason why this compound is suitable of fibre-based heating. The electric losses are used for heat generation. By varying the production process parameters, the influence of different variables is analysed and the desired properties are optimized. So far, compound produced at the ITA had conductivities in the single-digit S/m area. The improvement by a factor of 10 is further described.

PE/carbon black compound; conductivity; temperture; melt spinning