浅谈填充型导电材料的研究与应用

　　一、高分子材料的静电及其危害

　　绝大部分的高分子材料的表面电阻均大于1012 ，是典型的绝缘体材料。由于成型简单，价格低廉等优点，广泛使用于电子电器、化工建材、日常生活等几乎今天所有等各行各业之中。

　　高分子材料也合其他固体材料一样，在接触、分离。摩擦的过程中会产生很高的静电，如走过化纤地毯时可达35000伏，穿脱衣服时可以达到10000伏，在翻阅塑料书籍时也有7000伏的静电。

　　静电的危害很大，主要表现在静电放电和静电吸引两个方面。在静电放电时会对电子设备造成电磁干扰，导致故障、误动，甚至会击穿精密电子元件，如果静电放电发生在易燃易爆或粉尘油雾的环境中则容易造成爆炸或者火灾等。静电引力的危害主要在于容易造成尘土的吸附污染，或者在加工过程中发生黏结、缠结断头等，影响质量及加工。

　　高分子材料在经过改性以及进一步的发展之后，可以有效地降低其电阻率，改善材料的抗静电性能，扩大并稳定了高分子的应用领域，同时也赋予了它更新的机能和更广泛的用途。

　　二、聚合物导电材料的制造方法及种类

　　聚合物导电材料主要分为三个类型，即抗静电及IDP型，填充型和ICP型。

　　抗静电及IDP型是通过在聚合物基体中添加抗静电剂来使聚合物导电的，它能够吸收并传导静电电荷，使之消散于大气之中。抗静电剂一般都具有润滑作用，可以减少聚合物材料与其它材料间的摩擦力，增强了抗静电作用。然而该类型的导电聚合物的电阻率在109-1014 之间，使用环境需要40％以上的相对湿度，而且在使用过程中，导电物质会逐渐迁移到材料表面，导致材料的耐久性和手感方面的问题。

　　填充型导电聚合物是在聚合物基体中添加导电物质如金属粉末、纤维，碳材料，金属盐，IDP等，使原来不导电的聚合物也具备导电性能。复合材料电阻和导电粒子的电阻有如下关系：

　　其中是复合体系的电阻，0是导电粒子的电阻，C是临界体积/重量含量，t是普适临界

　　图一 导电粒子填充量与电阻的关系及导电机理图

　　如图一所示，随着导电粒子填充量的增加，电阻值均下降，究其原因，导电粒子用量增加后，逐渐在聚合物基体中形成了导电通路。导电粒子的性状不同所制备的复合材料的电性能也不一样，详见表一。

　　表一 常用导电填料的电性能优缺点

　　ICP（Inherent Conductive Polymer）型导电聚合物适聚合物本身具有导电能力的聚合物材料，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。

　　三、填充型导电聚合物的分类

　　按照材料的体积电阻或表面电阻填充型导电聚合物可以分为抗静电型（体积电阻 >107cm），静电放电型（体积电阻<107cm）和电磁波干扰屏蔽型（EMI）（体积电阻 <10cm）。

　　图二 导电材料胺表面电阻的分类

　　按照表面电阻，可以分为如图二所示的四类。其中低于10的属于高导电性，比如金属和电磁波屏蔽材料，高于1012的属于绝缘体，比如聚合物等，而炭黑填充聚合物导电材料一般介于102～104之间，属于导电性材料。本课题将讨论该领域中导电填料的性状及其在聚合物中的分散以及加工条件的差异对复合材料导电性能的影响规律和它的应用。

　　四、碳系材料填充导电聚合物

　　目前所使用的碳系材料中，最常用的是导电炭黑、石墨和碳纤维，其中导电炭黑应用最广。一是因为导电炭黑价格低廉，二是因为炭黑可以根据制品的不同需求可以有很宽的选择面，而且其电阻值可以在102～109这样很大的范围内自由调整，三是制品的导电性持久稳定。炭黑填充聚合物导电材料在国外已经形成了很大的市场。

　　石墨也是一种常用的填料，但由于它在达到同样的电性能下需要比其它填料更大的填充量，使用受到一些限制。但近年来插层石墨和剥离石墨等工艺方法的'日趋成熟与普及，石墨导电填料也逐渐为业界所瞩目。

　　此外，随着纳米技术的方兴未艾，碳纳米管（CNT），尤其是气相生长碳纤维（VGCF）已成为新型导电材料的一个亮点。就VGCF而言，其纤维直径为80～150 nm，长度在5～10 m，是具有极高长径比的纤维填料，具有优越的热性能、电性能和机械性能，成为近十年来引人