泡沫密度對電性能的影響

蔚琳 武飛

摘要：聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫塑料是一種輕質硬質泡沫塑料，具有100%的閉孔結構，比交聯聚氯乙烯（XPVC）、聚氨酯（PUR）等硬質泡沫塑料具有更高的強度、模量和抗蠕變性能，耐熱性能可達到240℃，是目前耐熱性最好的剛性結構泡沫塑料之一，可滿足190℃的固化工藝對尺寸穩定性的要求。同時PMI泡沫塑料又是一種低介電材料，其優異的力學性能和加工性能，使其作為纖維泡沫塑料夾層結構的芯層用于天線罩、飛機雷達罩等透波材料領域。

關鍵詞：泡沫密度、電性能

1 前言

泡沫復合材料具有密度低，質輕，比強度高，吸收沖擊載荷能力強、隔熱性能好等優異性能，廣泛應用于工業、家用電器、包裝、交通運輸、軍事、航空航天和日常用品等領域。而其體積電阻率一般在1012～1017Ω·cm之間，所以長期以來都是作為一種優良的電絕緣材料使用，但隨著現代科技的進步和發展，特別是電子工業、通信技術的飛速發展，對具有導電性能的泡沫復合材料的需求與日俱增。本研究結合導電泡沫復合材料優異的物理特性和導電性能，探索其在各種環境中功能復合材料體系結構與電性能的關系。

2 復合型導電高分子材料

2.1復合型導電高分子材料的分類

按結構和制備方法的不同，導電高分子材料可分為本征型導電高分子材料和復合型導電高分子材料兩大類。本征型導電高分子材料即結構型導電高分子材料，是指高分子本身具備電子傳輸能力或共軛高聚物經過摻雜后具有導電能力的材料，如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。本征型導電高分子材料由于本身剛性大、加工成型困難、難溶、摻雜劑多屬腐蝕性強、劇毒的物質，電阻率的變化范圍較窄，且其導電的重復性和穩定性較差、生產成本高等缺點，以上缺點限制了其發展。復合型導電高分子材料是指以高聚物為基體，在成型加工過程中添加碳系填料、金屬氧化物、金屬材料等為導電填料，使其具有一定的導電能力。復合型導電高分子材料綜合了各組分的優點，其兼具了導電填料的導電性以及高分子材料的各種優異性能，且導電性能可根據實際使用情況可在大范圍內調節，成本較低、成型加工相對簡便、適用于大規模大批量的生產等特點，因而得到了迅速發展和廣泛的應用。

2.2復合型導電高分子材料的導電機理

（1）導電通路如何形成

導電通路的形成是指在給定的加工工藝條件下，導電填料在基體中是如何達到相互接觸，并且使材料在整體上能夠自發地形成導電網絡這一宏觀自組裝的過程，這個過程受到復合材料體系的熱力學、動力學和幾何拓撲學等多方面因素的影響。目前，導電通路形成的模型主要有：統計滲流模型、熱力學模型、有效介質模型和微結構模型等。對于導電通路形成，到目前為止應用最為廣泛的基礎理論是滲流理論，該理論認為體系內分布著許多一定規律或無規節點，這些節點間能夠按一定的幾率存在連接的可能，當這個規律發生變化時，達到某一臨界值時，節點間可以相互連接并組成了無限的連通簇的現象稱為滲流現象。

導電高分子材料的電阻率隨導電填料含量的變化呈現出典型的滲流行為。當材料中的導電填料含量較低時，導電粒子或其聚集體無規則的分散在基體中，導電粒子相互接觸的幾率很小，難以形成貫穿整個材料體系的導電通路，材料呈絕緣態;當導電填料含量接近或略微超過滲流閾值時，導電粒子之間出現相互接觸或團聚，通過隧道效應或電子躍遷形成連續的導電網絡，電阻率發生急劇的變化。當導電填料含量超過滲流閾值時，繼續增加導電填料，電阻率無明顯的變化。

2.3復合型導電高分子材料導電性能影響因素。

（1）導電填料的性質種類和用量

選擇碳黑比表面積大、結構高、表面活性基團含量少的種類可以提高復合材料的導電性能;纖維狀導電填料的導電性能與纖維的長徑比和分散性有關，在添加量相同時，纖維的長徑比越大，復合材料的導電性就越好;以金屬薄片為導電填料制備的導電復合材料的導電性能好，金屬薄片越薄，導電性能越好。

（2）高聚物的性質和種類

復合材料的導電性能與高聚物的表面張力、粘度以及結晶度有關，聚合物的表面張力越小，復合材料的導電性能就越好;以同一種類聚合物為基體，粘度的下降，復合材料的導電性就升高;對于高結晶度的聚合物作為基體，比采用結晶度低的復合材料的導電性能好。

（3）導電填料分散度的影響

填料分散性愈好，則在較小的用量下就可以形成導電網絡結構，滲流閾值愈低。

3 泡沫復合材料的概述

泡沫塑料是一種應用廣泛的高分子材料，它以聚合物為基本成分，含有大量氣泡，因此泡沫塑料也是一種以氣體為填料的復合材料。與純塑料相比，它有許多優異的性能，如質量輕、比強度高、具有吸收沖擊載荷能力強、隔熱和隔音性能好等特點。所以泡沫復合材料被廣泛應用于工業、民用、家用電器、包裝、交通運輸、軍事、航空航天和日常用品等領域。

絕大部分塑料都可通過發泡制成泡沫塑料，因此泡沫材料品種繁多，其分類方法也是多種多樣。按發泡倍率可以分為高發泡泡沫和低發泡泡沫;根據泡沫塑料的軟硬程度不同可以分為硬質泡沫、半硬質泡沫和軟質泡沫;根據泡孔的結構可以分為開孔泡沫與閉孔泡沫;根據泡體的結構又可以分為一般的泡沫塑料和結構泡沫塑料。

泡沫復合材料一般可以通過注射發泡、模壓發泡、擠出發泡、可發性粒料發泡、溶液涂覆發泡、旋轉成型發泡等方法制備，其中前三種尤為重要，本實驗主要采用模壓發泡。由于泡沫復合材料中存在著許多微孔，而這些微孔中都是質量很輕的氣體。因此，泡沫復合材料的這一特點，也就是最大的優點乃至異常的輕巧。再加上塑料的耐磨性和耐水性、良好的隔熱性能，使泡沫復合材料已成為塑料中用途最多的品種。泡沫復合材料的主要用途如下：

（1）熱絕緣材料，主要有硬質聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛、脲醛泡沫塑料等。

（2）襯墊材料，常用的是軟質聚氨酯泡沫塑料等。

（3）減震包裝及漂浮材料，常用的有聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯泡沫塑料。

（4）電絕緣材料，主要有聚烯烴、聚苯乙烯、聚氯乙烯等泡沫塑料。

（5）輕質結構材料，應用于建筑、軍工等部門。主要是使用聚氨酯、聚苯乙烯、環氧、有機硅等泡沫塑料。

4 交聯劑含量與導電泡沫復合材料的電性能的關系

在高聚物中加入交聯劑，使線型高聚物分子或帶支鏈的線型高聚物的分子產生交聯結構，結果使高聚物的分子結構由線型轉變為體型的結構。實驗采用過氧化二異丙苯（DCP）作為交聯劑。

交聯劑使高聚物的內部產生自由基，使基體與基體之間、基體與炭黑粒子之間產生交聯結構，交聯結構使eva分子能夠捕獲碳顆粒。為不同交聯劑含量對導電泡沫復合材料導電性能的影響。導電泡沫復合材料的體積電阻率隨著交聯劑含量的增加而升高。因為復合材料中的交聯點密度隨著交聯劑含量的增加而增加，對炭黑粒子在基體中的分散程度產生影響，影響了泡沫復合材料的電性能。當交聯劑含量為0.5%時，泡沫復合材料的導電性較好，但在模壓過程中出現粘模現象;當交聯劑含量大于1.5%時，導電性明顯降低，可能是交聯劑含量太多，使導電泡沫復合材料中產生的交聯點過多，致使材料的結構太過于致密，炭黑粒子難以均勻分散在基體中，電阻率升高。但當復合材料中不加交聯劑時，難以模壓成型。由于泡沫復合材料中缺乏交聯點，大分子鏈之間的連接較差，致使分子結構致密程度不夠，材料難以成型。當交聯劑含量為1%時，導電泡沫復合材料的導電性能與0.5%時比較接近，且表面光滑平整。

5 結束語

泡沫密度對電性能的影響對于LDPE/EVA/CB導電泡沫復合材料，當炭黑質量分數小于15.88%時，體系的體積電阻率變化很小，處于絕緣態：當炭黑質量分數在（15.88%-21.87%）范圍內，體系的體積電阻率發生數量級的突變，呈現典型的滲流TJ;為;當炭黑質量分數繼續增加，體系的體積電阻率變化緩慢。

參考文獻：

[1]謝克磊，曲春艷，馬瑛劍，楊海冬.交聯劑對PMI泡沫塑料結構與性能的影響[J].材料工程.2009（04）

[2]曲春艷，馬瑛劍，謝克磊，王德志.聚甲基丙烯酰亞胺硬質泡沫塑料[J].化學與粘合.2008（01）