HDPE/PC/CB复合材料的相结构及PTC行为研究

摘要

聚合物基PTC导电复合材料是指以聚合物为基体,填充导电粒子制备的具有导电性的复合材料,由于其聚合物原料来源广泛,具有较好的应用性能和加工性能,受到越来越多的关注以及广泛应用。
　　 采用两种不相容的聚合物作为基体材料,使导电粒子在两相聚合物中形成“双逾渗”结构:即导电粒子在—相聚合物中形成一个连续结构,而这一聚合物又在另外一相聚合物中形成连续结构,从而形成双连续结构。可以降低导电粒子填充的逾渗阈值,改善材料的PTC性能以及其稳定性。
　　 本文选择CB为填充粒子,两种不相容的聚合物高密度聚乙烯(HDPE)和聚碳酸酯(PC)作为基体,采用两种制备工艺:CB母料填充和CB直接共混填充制备三元HDPE/PC/CB复合材料。同时以单一组分聚合物HDPE/CB、PC/CB二元复合体系作为对比,通过电镜、溶剂抽出、动态流变等研究手段对其电性能以及CB的分布状况进行了系统的研究。
　　 首先,试验发现由于CB的选择性分布在HDPE相以及两相界面处,优先形成导电通路,三元HDPE/PC/CB复合材料的逾渗阈值要明显低于单一组分HDPE/CB、PC/CB二元复合材料的逾渗阈值,即在低的CB填充量下即具有较低的体积电阻率。
　　 通过对HDPE/PC/CB三元复合材料的电阻率～温度性能的测试,发现母料填充的复合试样的PTC强度较高,电阻率重复较好,出现了两个电阻率突增的转变点又称为“双PTC效应”。而直接法制各的试样的PTC强度较小,且只有一个电阻率转变点,重复性较差。这与HDPE/PC/CB中双逾渗结构的形成有很大关系。
　　 从热力学和动力学两个方面研究了CB在基体中的分散状况,研究发现,从热力学角度而言,CB粒子倾向于分布在PC相中。采用三氯甲烷对三元复合试样进行选择性抽出PC,计算被溶解掉的PC的量,发现同种HDPE/PC配比下,母料法制备的试样其PC的抽出量明显高于直接法制备的试样,说明母料法试样的双连续性比较高。
　　 另外,通过对选择性抽出PC后的试样进行电镜观察,发现母料法中CB主要分布在HDPE相以及两相界面,HDPE相与PC相形成了连续结构。而直接法制备试样的HDPE相没有CB粒子的存在,并且出现了大量的局部团聚现象,CB粒子之间出现了很多的连续的孔洞,为溶解掉的PC原来所在的位置,说明CB主要分布在PC相中,也证实了从热力学角度上得出的CB倾向于分布在PC相中的观点。母料法制备三元试样是先将CB分布在HDPE中,增大了HDPE的黏度,从动力学方面,使得HDPE与PC的黏度相近,更易形成较为理想的双逾渗结构,这也与抽提结果相吻合,同时也进一步证实了母料法中PTC性能优于直接法的原因。
　　 利用动态流变方法对二元、三元复合材料进行研究,发现动态流变黏弹函数对填充含量的依赖性较大,从流变学角度表征了不相容体系的三维逾渗网络的形成。低CB填充量下,CB含量对三元HDPE/PC/CB复合体系的黏弹性影响较小,储能模量和复数黏度主要依赖于PC相,损耗模量、损耗因子则主要取决于HDPE的链段运动能力和聚合物的界面相互作用。而在高CB填充量下,母料法与直接法对试样黏弹性的影响不同。