MWNTs增強的ABS導電納米復合材料的制備及性能研究

朱英魁

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

引言

碳納米管是由單層或多層碳原子組成的網狀纖維結構，具有較高的長徑比。實驗和理論證明，碳納米管的力學強度可達1.28 TPa[1]。獨特的結構賦予碳納米管優異的導熱和導電性能，碳納米管的導電性能可達104S/cm，導熱性能可達6000 W/(m·K)[2-4]。在實際應用中，碳納米管通常作為填料并且需要與金屬、聚合物以及陶瓷一起加工成復合材料使用。

大多數高分子材料的電阻率都比較高，這一特點使其應用于許多需要絕緣的場景。隨著科學技術的發展，電子和電力行業對材料導電、導熱的要求越來越高，普通的高分子材料由于具有較高的絕緣性能，其體積電阻率一般在1×1016Ω·cm以上，限制了其在導電、導熱以及電磁屏蔽等方面的應用。填充型的導電高分子材料是一種理想的抗靜電、電磁屏蔽材料，被廣泛應用于塑料芯片、顯示器、便攜電源、通訊等領域。傳統的填充導電高分子材料需要大量填充才能達成良好的導電效果，但是大份量的填充會增加材料的重量并且導致力學性能的下降[5,6]。研究人員發現與其他填料相比，碳納米管只需要填充較小的份數就可提高高分子材料的導電、導熱、阻燃以及力學等性能[7-9]。

ABS是由三種單體通過陰離子聚合得到的工程塑料。三種單體賦予ABS優良的化學穩定性、剛度、韌性、介電性能以及加工性能。ABS被廣泛應用于汽車、電子電器和建材等領域。ABS與碳納米管制備導電復合材料已經受到越來越多的關注[10]。本研究選用ABS作為樹脂基體，MWNTs作為導電填料，采用熔融共混的方法，研究MWNTs的用量對ABS導電、導熱、阻燃以及力學性能的影響。

1 試驗

1.1 主要原材料

基體材料ABS采用韓國LG生產的XR401；MWNTs采用蘇州恒球納米試劑有限公司生產的CNTS-010-0。

1.2 主要設備

DZF-6020型真空烘箱，上海舍巖儀器有限公司制造；SHR-5A型高速混合機，張家港市宏基機械有限公司制造；CTE35型雙螺桿擠出機，科倍隆（南京）機械有限公司制造；FT-110型注塑機，浙江申達塑料機械有限公司制造；SZ-82型電導率測試儀，蘇州電訊儀器廠制造；LF447型激光閃光法導熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司制造；UTM-1432型萬用拉力機，承德市金建檢測儀器有限公司制造；XJUD型懸臂梁沖擊儀，承德市金建檢測儀器有限公司制造；JF-3型氧指數測定儀，南京炯雷分析儀器有限公司制造；Zeiss evo18型掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司制造。

1.3 復合材料的制備

首先將原料放入真空烘箱中，在90℃的條件下烘干4 h去除原料中多余的水分和揮發物。稱取500 g的ABS，按照1%，2%，3%，4%，5%的量稱取MWNTs并在高速混合機中預混合。接著將混合后的料放入雙螺桿擠出機中熔融擠出，擠出機的溫度范圍200℃～240℃，轉速為40 rpm。最后將擠出的粒料在注塑機中注塑成標準樣條。

1.4 測試與表征

采用數字式四探針電導率測試儀測試復合材料的導電性能。采用激光閃光法導熱分析儀測試材料的導熱性能。拉伸性能按國家標準GB/T 1040—1992測試。萬用拉力機的速度為50 mm/min，啞鈴型標準樣條在最窄處的尺寸為10 mm×4 mm。沖擊性能按國家標準GB/T 1843—2008測試，標準樣條的尺寸為10 mm×4 mm。氧指數按國家標準GB/T 2406.2—2009測試。將沖擊斷裂的樣條噴金處理，然后用掃描電鏡觀察樣條的斷面特征。

2 結果與討論

2.1 MWNTs用量對ABS導電性能的影響

圖1所示為MWNTs用量對ABS電導率的影響。從圖1可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS的電導率逐漸增加。MWNTs的用量小于1%時，由于添加量少，還沒有形成導電通路，此時電導率的提高僅僅是由于導電填料的加入導致；MWNTs的用量超過1%以后，MWNTs相互接觸形成導電網絡，導致ABS的導電率急劇增加；當MWNTs用量超過3%以后，繼續增加MWNTs的用量，ABS的電導率幾乎不變。在MWNTs的用量達到5%時，ABS的電導率達到0.13 S/m。

圖1 MWNTs用量對ABS電導率的影響

2.2 MWNTs用量對ABS導熱性能的影響

圖2所示為MWNTs用量對ABS導熱性能的影響。

圖2 MWNTs用量對ABS導熱性能的影響

從圖2可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS的導熱率逐漸增加。MWNTs的用量小于1%，由于此時MWNTs尚未形成網絡，導熱率的增加緩慢；隨著MWNTs用量的增加，MWNTs之間相互接觸形成導熱網絡，復合材料的導熱率迅速增加；在MWNTs的用量超過3%以后，復合材料的導熱率的增加變緩。

2.3 MWNTs用量對ABS阻燃性能的影響

圖3所示為MWNTs用量對ABS阻燃性能的影響。從圖3可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS阻燃性能逐漸增加。純ABS的測試氧指數為18.2，屬于可燃性塑料；當添加2%的MWNTs，ABS的氧指數為23，屬于自熄性塑料；當MWNTs的用量為5%，ABS的氧指數為27.2，屬于阻燃性塑料。

圖3 MWNTs用量對ABS阻燃性能的影響

2.4 MWNTs用量對ABS力學性能的影響

圖4所示為MWNTs用量對ABS拉伸強度的影響。從圖4可以看出，隨著MWNTs含量的增加，ABS的拉伸性能出現先增加后減小的趨勢；在MWNTs用量為3%左右時，ABS的拉伸強度達到最大值。

圖4 MWNTs用量對ABS拉伸強度的影響

圖5所示為MWNTs用量對ABS沖擊強度的影響。從圖5可見，隨著MWNTs用量的增加，復合材料的沖擊強度先增加后減小。材料在受到外力沖擊破壞時，MWNTs超高的長徑比能夠分散外力，避免應力集中對材料造成破壞。但MWNTs添加量較多時，在復合材料中的分散不均勻，容易形成應力集中，造成力學性能下降。

圖5 MWNTs用量對ABS沖擊強度的影響

圖6為純ABS以及添加3%的MWNTs的掃描電鏡圖片。從圖中可以看出，未加MWNTs的ABS在斷裂時呈現出脆性斷裂，添加3%的MWNTs的ABS在斷裂時呈現出韌性斷裂。

圖6 復合材料斷面的掃描電鏡圖

3 結論

ABS是一種綜合性能優異的高分子塑料。但作為導電塑料使用，ABS的導電性能還需要進一步提高。MWNTs具有優異的導電、導熱和力學性能。采用熔融共混方法制備的ABS/MWNTs納米復合材在MWNTs添加量為2%左右時形成了導電逾滲閡值，添加量超過3%以后，隨著填料的加入導電率變化很小。隨著MWNTs用量的增加,復合材料的性能出現如下變化趨勢：導熱性能逐漸增加；阻燃性能逐漸增加，在添加量為5%時，復合材料達到阻燃材料的標準；拉伸強度和沖擊強度先增加后減小，在用量為2%左右達到最大值。