ldpe／石墨復(fù)合材料的制備和性能

1、第 2 3卷 第 2期 2 o 0 3年 6月西 安 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) J 0lNA LO F X I ’ AN UNI VE R S I T Y O F S C I E NC E A N D T E C HN OL O GYV0 1 ． 2 3No ． 2J u n ． 2 0 0 3文章縮 號(hào) ： 1 6 7 1 —1 9 1 2 ( 2 0 0 3 ) 0 2 —0 1 9 1 — 0 4L D P E ／ 石 墨 復(fù) 合

2、材 料 的 制 備 和 性 能 李侃 社 ， 一 ，閏蘭英 ， 邵水 源， 趙 曉玲 ( 1 ． 西安科技學(xué)院 化學(xué)與化工系 ， 陜西 西安 7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 高分子材料 工程 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ( 四川大學(xué)) ， 四川 成都 6 1 0 0 6 5 )摘 要 ： 選用電導(dǎo)率、 導(dǎo)熱 系數(shù)高的石 墨( 普通鱗 片石墨 F G、 可膨脹石墨 K P3 5 、 膨脹石墨 E G3 5 ) 對(duì)低密度聚 乙烯( L D P

3、E ) 進(jìn)行填充改性， 采用鈦酸酯偶聯(lián)劑 N D Z1 0 1對(duì)石墨進(jìn)行表 面處理 ，提高石墨與聚合物基體的界面相互作用， 制備 出力學(xué)性能、 導(dǎo)電、 導(dǎo)熱等綜合性能優(yōu) 良的 L D P E ／石墨復(fù)合材料。結(jié)果表明： 石墨的填充大大改善 了聚 乙 烯 的導(dǎo) 電、 導(dǎo)熱和耐熱性能， 當(dāng)石墨含 量 達(dá) 2 0％時(shí)( 文 中的各種元素含量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ， L D P E ／ K P3 5的電導(dǎo)率達(dá)到 1 ． 9 1 ×1 0 一

4、S ／ m，拉伸強(qiáng)度較 有小幅提 高， 可作為導(dǎo)熱抗靜 電材料推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞 ： 低 密度聚 乙烯() ； 石墨 ； 復(fù)合材料 中圖分類號(hào) ： T B3 3 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A高分子材料具有重量輕 、 強(qiáng)度高、 易加工等優(yōu)點(diǎn)， 成為上世紀(jì)高速發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。但是 由于它 具有 良好的電絕緣性能 ， 而易積聚靜電荷 ， 在易燃易爆場(chǎng)所易引起火災(zāi)和爆炸 ， 也不具有抗 電磁干擾的能 力； 另外， 聚合物材料的導(dǎo)熱性能較差 ， 作為

5、 電器材料時(shí)， 不能及 時(shí)散熱。這些都制約了聚合物材料的應(yīng) 用。所以對(duì)聚合物材料進(jìn)行改性 ， 提高其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能 ， 具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。近 2 0a 來(lái) ， 導(dǎo)電、 導(dǎo)熱高分子材料的制備方法和理論研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)展 ， 這些包括用導(dǎo) 電、 導(dǎo)熱無(wú) 機(jī)填料如碳黑、 石墨和金屬粉末等對(duì)高分子材料進(jìn)行填充改性技術(shù) 和方法， 導(dǎo)電、 導(dǎo)熱機(jī)理分析和模型建 立等方面【 1 - 9 ] 。但是 ， 關(guān)于石墨填充改性聚烯烴的研究仍

6、然較少u0 l 。選用導(dǎo)電、 導(dǎo)熱性能 良好的鱗片石墨和膨脹石墨對(duì)低 密度聚 乙烯進(jìn)行填充改性 ， 采用鈦酸酯偶聯(lián)劑 N D Z1 0 1 對(duì)石墨進(jìn)行表面處理 ， 提高石墨與聚合物基體的界面相互作用 ， 制備 出具有導(dǎo) 電、 導(dǎo)熱性 能， 加工性能和力學(xué)性能等綜合指標(biāo)優(yōu) 良的 吼墨復(fù)合材料。1 實(shí)驗(yàn)部分 1 ． 1 原 料和樣 品的 制備 原料選用低密度聚乙烯( L D P E ， 1 F7 B ， 北京燕山石化公司) ， 鱗片石墨(，

7、 固定碳含量 9 5％， 青島石 墨廠) ， 可膨脹石墨( K P3 5 ， 碳含量 9 8％， 河北聯(lián)星碳化物有限公司) ， 偶聯(lián)劑 N D Z1 0 1 等。樣品的制備步 驟如下 。1 ) 膨脹石墨的制備 ： 將可膨脹石墨 K P3 5 放入 8 0 0℃的馬福爐加熱 1r a i n ， 即得膨脹石墨 E G3 5 。2 ) 石墨的表面處理 ： 將一定量 的偶聯(lián)劑 N D Z1 0 1 溶于異丙醇中制成溶液 ， 然后滴加 到在高速

8、機(jī)械攪 拌下的石墨中， 經(jīng)表面處理 的石墨呈蓬松分散狀態(tài)。3 ) L D P E ／ ' ~墨復(fù)合材料的制備 ： 在雙輥筒塑煉機(jī)上于 1 2 0℃ 下將 L D P E塑化 2mi n后 ， 加入石墨混 煉 2 0mi n出片。共混物經(jīng)過(guò)平板硫化機(jī)于 1 9 0℃下模壓 ， 并 自然冷卻定型成 2m r I 1 的片材。收稿 日期 ： 2 0 0 2 一o 4 一l 0基金項(xiàng) 目： 國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展規(guī)劃基金項(xiàng) 目( Gl 9 9

9、 9 0 6 4 8 0 9 )作者簡(jiǎn)介 ： 李 佩社( 1 9 6 1 一) ， 男 ， 陜西商州人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要從事聚合物功能材料 和復(fù)合 材料 的研究 維普資訊 http://www.cqvip.com 第 2期 李侃社等 L D P E ／ ~ 墨復(fù)合材 料的制備和性 能1 9 3導(dǎo)熱雙導(dǎo)復(fù)合材料。特別是在 填充量達(dá)到 5 0％時(shí) ， L D P E ／ F G復(fù)合材料 的屈服強(qiáng) 度與斷裂強(qiáng)度幾乎相 等， 而

10、且高出 L D P E基體樹(shù)脂 ， 使其具有 良好的應(yīng)用前景。隨石墨的填充 ， L D P E ／ - ~墨復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率急劇下 降， 當(dāng)石墨含量 達(dá)到 1 5％左右時(shí)， 下降變 緩 ， 并在 4 | D％左右達(dá)到最小值 ( 圖 2 ) 。表明石墨的填人 ， 降低了基體的柔順性 。矗 鹱 圖 1 石 墨填 充 量 對(duì) 復(fù) 合 材 料 拉 伸 強(qiáng) 度 的影 響 F i g． 1Th ee f f e c t so fg r a p

11、 h i t ec o n t e n to nt e n s i l es t r e n g t h o ft h ec o mp o s i t e s2 ． 3L D P E ／ ~墨復(fù)合材料的導(dǎo) 電性能 圖 3是 石墨 含量 對(duì) L D P E ／ - ~ 墨復(fù) 合材 料 電導(dǎo)率 的影響曲線。不難看出， 隨石墨含量 的增加 ， 復(fù)合材 料的電導(dǎo)率不斷提高 ， 當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)急劇增大， 后 趨于平緩提高。其變化符合逾滲規(guī)律? 。

12、由圖 3 還 可 以看 出 ， 3種 石 墨 中 可膨 脹 石 墨 KP3 5的 滲濾 閾 值最低 ， 約 1 59 6 ； 鱗片石墨 F G 和膨脹石墨 E G3 5 ，分別 為 3 0％和 2 0％。這 是 因?yàn)?鱗 片石 墨是 天 然石 墨， 它的碳含量約為 9 5％， 其 電導(dǎo)率為 2 7 ． 1S ／ m，而 K P3 5 碳含量約為 9 8％， 其 電導(dǎo)率為 2 7 ． 1S ／ m。在 石墨 中 ， 固定碳 含 量 決 定

13、 其導(dǎo) 電性 能 ； KP3 5經(jīng) 過(guò) 加工后形成石墨層 間化 合物 ， 易與 L D P E形成 片層 復(fù)合 ， 在 L D P E ／ l ( P3 5復(fù)合 材料 中更易于形成導(dǎo)電 通 路 ； 二 者粒 度 分 析 表 明 ， KP3 5的 粒徑 集 中 在 1 2 ．諄 垂 寫 } 《豁 圖 2 石墨填充 量對(duì) 復(fù)合材料斷裂伸 長(zhǎng)率的影 響 Fi g ． 2I n f l u e n c eo fg r a p h i t

14、ec o n t e n to ne l o n g a t i o na tb r e a ko ft h ee o mp o s i t e s圖 3石墨含量 對(duì) 唧 ／ 石墨復(fù)合材料 電導(dǎo)率 的影 響 F i g． 3I n f l u e n c eo f g r a p h i t eo o n t e n t o nt h ec o n d u c t i v i t yo fL DP E／ Gr a p ~t ec o m

15、p o s i t e s5 3~ m( 8 2 ． 7 5％) ， 而鱗片石墨的粒徑分布較為分散 ， 分別是 1 5 ． 3 2p m為 1 8 ． 2 6％ ， 1 2 ． 5 3p m僅 占 4 3 ． 3 0％ ， 1 0 ． 2 5／ a n占 3 2 ． 4 7％ 。KP3 5與 鱗 片石 墨相 比 ， 其 粒 徑 均 勻 ， 粒 子 填充 有 利 于 緊 密 堆積 ， 更 易 形成 導(dǎo) 電通路。而膨脹石墨 E G3 5 是

16、 K P3 5在 8 0 0℃熱膨脹的產(chǎn)物。反應(yīng) 中， 層間插人物已分解逸出 ， 造成石 墨結(jié)構(gòu)的缺陷， 其 電導(dǎo)率僅為 9 ． 2 5S ／ m， 同時(shí)粒子團(tuán)聚， 使其表觀粒度增大 ， 制約 了導(dǎo) 電通路的形成 。2 ． 4U E ／ 石墨復(fù)合材料的熱性能 I ) (分析結(jié)果見(jiàn)表 3 。表明結(jié)晶溫度降低 ， 熔點(diǎn)和結(jié)晶度有所提高 ， 而熱分解溫度提高了約 3 2℃ ， 改 善了材料的耐溫性能。T G分析結(jié)果見(jiàn)表 4 。表明熱氧化分解溫