高密度聚乙烯纳米石墨导电纳米复合材料压敏特性研究

1、卢金荣 等:高密度聚乙烯 /纳米石墨导电纳米复合材料压敏特性研究 1411高密度聚乙烯 /纳米石墨导电纳米复合材料压敏特性研究 *卢金荣,吴大军,吴翠玲,陈国华(华侨大学 材料科学与工程学院,福建 泉州 362011 * 基金项目 :国家自然科学基金资助项目:No:29874016, 20174012. 收稿日期:2004-03-13 通讯作者 :陈国华作者简介:卢金荣 ,男,福建漳州人,硕士研究生,从事导电复合纳米材料的研究摘 要:以高密度聚乙烯(HDPE 为基体,纳米石 墨为导电填料, 通过双辊混炼制备了具有良好压敏特 性的导电纳米复合材料。 研究了纳米石墨复合材料的 电学性能及压敏性能,

2、 讨论了纳米石墨含量以及加压 次数对导电复合材料压敏特性的影响。 关键词:压敏;高密度聚乙烯;纳米石墨中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004增刊1 引 言聚合物基导电复合材料在不同的外力、温度和 电压等作用下, 表现出一些特殊效应, 如压敏效应 1、 拉敏效应 2、 PTC(Positive temperature coefficient效 应 3、电流电压非线性 4等等。由高密度聚乙烯和纳米石墨复合而成的纳米导 电复合材料有良好的导电性能、 压敏特性以及力学性 能。纳米石墨薄片径面面积大(达微米级 ,施加外 压后, 被绝缘基体隔离开的纳米石墨微片由于相互

3、间 的间距减少(<10nm会产生强的隧道电流,同时施 加的外压使得材料内部导电通道密度增加, 这两个因 素都使得复合材料整体电阻率下降, 因此复合材料具 有良好的压敏特性。2 实 验2.1 压敏材料的制备将高密度聚乙烯、 纳米石墨按一定比例混合, 经 过 140、 15min 双辊混炼,然后冷压成型,切割成 压敏薄片材料。 2.2 压敏材料的性能测试采用两块钢板作为电极, 从下往上逐步加压。 用 UT70A 万用表测试电阻,电流方向与电压方向平行。3 结果与讨论3.1 压敏材料电阻率与纳米石墨含量的关系压敏材料的电阻率随纳米石墨含量的增加而减 少。 纳米石墨的片型结构易于形成导电网络,

4、与普通 石墨相比由纳米石墨复合而成的纳米导电材料有较 低的渗滤阈值。由图 1可知,当纳米石墨含量达到 14%15%(质量百分比时,复合材料中的导电网 络便已经形成, 此时复合材料的电阻发生突变, 材料 电阻率迅速下降。图 1 HDPE/纳米石墨压敏材料电阻率与纳米石墨含量的关系Fig 1 Resistivity as a function of graphite nanosheetscontent in composite with HDPE 3.2 纳米石墨含量对材料压敏性能的影响图 2为纳米石墨含量不同、 其它条件相同的压敏 材料压力与相对电阻关系图。 由图 2可看出, 纳米石 墨复合材料

5、具有较好的压敏特性,从 01000psi 的 压力范围内, 压力与材料相对电阻的关系几乎呈线性 关系,这与 Simons 量子隧道导电理论相一致 6。从 图中可知在一定范围内(石墨含量高于渗滤阈值 , 纳米石墨的含量越高, 材料的压敏特性越好。 这是因 为在较高含量的复合材料中, 导电粒子较多, 受压后1412 2004年增刊(35卷更易形成新的导电通道, 导电通道密度更高, 材料电 阻率下降幅度也就比较大,因此有较好的压敏特性。 但若纳米石墨用量过多, 复合材料中将会形成足够多 的导电通路,那么材料将不呈现压敏性。图 2 HDPE/纳米石墨压敏复合材料相对电阻-压力的关系Fig 2 Depe

6、ndence of relative resistance of HDPE/graphite nanosheets composite on applied pressure图 3 HDPE/纳米石墨压敏材料经循环压缩的电阻-压力关系图Fig 3 Dependence of resistivity of HDPE/graphitenanosheets composite on applied pressure under cyclic compression3.3 循环压缩对材料压敏性能的影响从图 3可看出经过反复压缩后, 复合材料压敏特 性的重复性良好。 由图可知经过反复循环压缩后, 复 合

7、材料的电阻率发生了一些变化, 随着压缩次数的增 加, 材料电阻率逐渐减少并且趋于稳定。 这是因为聚 合物基体树脂的形变具有时间依赖性,材料受压后, 聚合物基体无法立刻恢复形变, 因此材料受压后再进 行重复压缩时 , 复合材料的导电通路密度已较高 (未恢 复至施压前的状态 , 所以复合材料电阻率相对降低。4 结 论(1以 HDPE 为基体树脂,纳米石墨为导电填 料的纳米复合材料具有良好的压敏特性、电学性能, 并且易于加工制备。P/psi(2 HDPE/纳米石墨复合材料的压敏特性具有 导电填料含量依赖性, 在一定范围内, 导电填料的含 量越高,压敏特性越好。但若导电填料的含量过高, 使得复合材料中

8、的导电通路数目达到饱和, 那么材料 无压敏特性。 参考文献:1Job A E, Oliveira F A, Alves N, et al. J. Synthetic Metals, 2003, 135-136:99. 2Kimura T, Yoshimura N, Ogiso T, et al. J. Polymer, 1999, 40:4149. /K ·c m3 Meyer J. J. Polymer Engineering Science, 1973, 13(6: 462. 4Chen Guohua, Weng Wengui, Wu Dajun, et al.J. Journa

9、l of Polymer Science , 2004, 42:155. 5Simons JG.J. J Appl Phys , 1963, 634:1793.P/psiStudy on pressure-sensitivity of HDPE/graphite nanosheetsnanocompositeLU Jin-rong, WU Da-jun, WU Cui-ling, CHEN Guo-hua(College of Materials Science and Engineering , Huaqiao University , Quanzhou 362011, ChinaAbstract :HDPE/graphite nanosheets nanocomposite was fabricated with HDPE as resin, graphite nanosheets as conductive filler. The pressure-sensitivity and electrical behavior were investigated in detail. The influence of graphite nanosheets weight fraction