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   摘要：在大量实验的基础上对低温面发热导电复合材料作了较为系统的研究，应用短切碳纤维改善了炭黑填充导电复合材料的电性能和力学性能，结果表明：少量短切碳纤维能明显改善导电粉末填充复合材料的导电性能。

   关键词：导电复合材料  炭黑  炭纤维  电性能

  l  引  言

     目前，面加热元件是将电阻丝等发热元件安装在绝缘材料中制得的，这种装置往往具有耗电大，加热不均的弊病。

  本文讨论的发热体材料是以复合型导电聚合物作为发热元件，附有适当的电极和导线制成。它不仅安全无公害，而且加热分布均一。这种材料的热功率主要受复合的聚合物耐热性限制。例如，用硅橡胶制作的发热面板长时间使用温度不得超过180℃。用复合导电材料制得低温发热板状元件作为大面积低温、保温发热体，在许多方面可以使用。例如，室内取暖，用一幅美丽的壁挂式风景画板即可代替笨重的管路式加热器，工业上则将复合导电材料制成大型槽、罐、油管等壁结构的一部分作为它保温、恒温的热源。

  目前，复合型导电材料多以添加导电颗粒填料为主，但是要获得较高的导电性，导电填料的填充量往往很高，这会严重影响材料的加工性和材料的力学性能。例如，物料体系的粘度增大，弯曲强度显著下降。为了解决上述问题，本文采用导电颗粒和短切碳纤维混合体系，既降低了填料的使用量，同时也获得了很高的导电性，并研究了短切纤维的含量，长度对体系导电性能的影响。

  2  实  验

  2．1  原材料

    (1)乙炔炭黑  粒度大小平均为38．6μm，电阻率小于0.005Ω．.m，表面积大小为72．6m²／g，市售。

    (2)碳纤维  T300—6K，单丝直径7μm，密度1．72g／cm³，Amoco Performance Prducts Inc USA。

    (3)环氧树脂  E—44，岳阳石化总厂。

    (4)稀释剂  活性稀释剂，聚丙二醇缩水甘油醚，EPG—207，岳阳石化总厂；丙酮，化学纯，市售。

    (5)固化剂  JA—l，胺类固化剂。

  2．2  试样制备及性能测试

    按设计配方称取环氧树脂和活性稀释剂混合搅拌，加热至60℃，加入炭黑和短切碳纤维搅拌均匀，称取固化剂和丙酮混合静置排出气泡后，加入到环氧混合体系中。然后，脱泡、浇注入模。对于粘度很大的体系将混合料置于玻璃板上辗压捏合，以使固液混合均匀后加人到模具中，再加压致密。入模后静置室温固化，再放入烘箱内80 ℃ l h，120℃ 4 h后固化处理，然后打磨端面，作电性能测试使用，试样直径约42mm，厚度为10~15mm。试样两端用铜箔作电极，两端加压后，接仪表测试其电阻。电阻率按GB l410—78规定测定。

3 结果与讨论

3．1  单一炭黑体系渗滤阈值的确定

    图l为单一导电炭黑质量百分含量与电导率的关系曲线，由曲线可以看出在导电炭黑的质量百分含量小于15%时，材料表现为绝缘材料的特征，电导率小于1×10^-10Ω^-1．Cm^-1，而在其含量超过40%时，其电导率明显增大约2个数量级，达到60%的百分含量时，其电导率为l．58×10^-4Ω^-1．cm^—l，为半导体高分子材料。根据导电复合材料渗流理论中导电网络形成、发展、饱和的特点可推断实验体系的炭黑渗滤阈值约为50%。实验发现，当体系中导电炭黑的百分含量超过20%后，体系粘度增加很大，已无法采用浇注成型。

3.2  导电炭黑与短切碳纤维混合体系的导电性能

    为了表征出短切碳纤维对复合体系导电性能的影响，实验中选取导电填料总含量为20％。即炭黑和碳纤维2种填料的总质量占复合材料的20％。这样，一方面使本实验结果与图1所示结果有可比性，从而可观察短切纤维加入对单一体系导电性能的影响；另一方面，也可观察不同的短切纤维长度对混合体系导电性能的影响。实验中，分别设计了3组试验，碳纤维含量分别为0.54％、1.08％和2.17％。另外，碳纤维短切长度分别选取2mm、5mm、7mm(实验中发现碳纤维长度超过7mm后，碳纤维的分散很困难)，图2是碳纤维长度和含量与材料电导率的关系曲线。

1－碳纤维长度2nun；2－碳纤维长度5n皿；3－碳纤维长度7mrn

由图2可以发现在体系中加人少量的碳纤维，即可比单一含20％炭黑体系的电导率提高约5个数量级，加入2％左右的碳纤维，即可使电导率达到0.l16Ω^-1．cm^—l，该材料的导电性能已接近导电高分子材料的要求。另外，从图2可看到，随着纤维长度和含量的增加，导电性也有所提高。但短切纤维长度增加使纤维的分散性降低，显然，要制备出导电和力学性能较高的复合导电材料，需要在导电性和工艺性二方面平衡后，选择最合适的纤维长度。

3．3  短切碳纤维改善导电粉末体系导电性能机理

   前述实验结果说明了含少量短切碳纤维的粉末复合导电材料的导电性能可得到较明显的改善，这可从图3所示的简单模型得到解释。根据渗流理论，复合型导电材料如果具有较高的导电性，分布在聚合物中的导电填料必须是相互接触或只分开几个原子直径的距离，这些相互接触的粒子在聚合物中形成一个无限三维空间网络，载流子沿着这些网络朝电势低的方向移动，从而导电。这已经由用炭黑充填的复合材料所显示的高电导率所证实，填充物形成导电网络的好坏将直接影响材料的导电性。图3所示的模型中，具有较大长径比的纤维的加入显然是有利于三维导电网络的形成，一方面短纤维存在于颗粒体系中，使一些没有相连的炭黑聚集体短链相导通，从而形成导电网络(如图3a所示)，另外一方面导电纤维也可以使弯曲多节的聚集体链变得更为便捷(如图3b所示)，显然，纤维的量大在未能形成连续颗粒网络的体系中改善的效果更好，因此电导率提高。短切纤维的长度增加，连通炭黑短链的机率要比较短纤维大，形成导通捷径，因此导电性能提高。

3．4  低温面发热元件的设计

由本实验确定复合导电材料设计而成加热元件在安全电压下理论比热功率如表1所示，加热元件所确定的温度高低与比热功率及热量导出的条件有关，受聚合物基体耐热性限制。例如，本实验材料制成的加热面板，当曝露于大气中时容许的最大比热功率约为0．5/cm²，它的一侧或两侧紧密接触金属表面时热量将很容易导出，则数值可提高；如果加热元件被具有良好导热性的液体包围时，则可达到比较大的比热功率。例如，在水介质中可以达到4~5W/cm²，比热功率的调整可通过调节纤维长度和含量来实现。

4  结  论

    (1)少量的短切碳纤维可以改善炭黑粉末体系的导电性，因而在具有相同导电性能的情况下，减少了导电粉末的填充量，改善体系的加工性能和力学性能。

    (2)短切碳纤维的长径比和含量对导电性有较大的影响，改变二者在复合体系中的比例，可得到不同要求的低温面发热体元件材料。