應(yīng)用于纖維基加熱的聚乙烯/炭黑復(fù)合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. H?ndel, G. Seide, T. Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(ITA)(德國(guó))

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應(yīng)用于纖維基加熱的聚乙烯/炭黑復(fù)合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. H?ndel, G. Seide, T. Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(ITA)(德國(guó))

本研究的目的在于探討由90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚乙烯(PE)和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的炭黑(CB)組成的復(fù)合材料的電導(dǎo)率和發(fā)熱性。在該比例下，填料含量超過(guò)了滲流邊界值。由該復(fù)合材料制備的長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性較好，其電導(dǎo)率σ=10～50 S/m。與相當(dāng)于電絕緣體的純聚合物(σ=10-5～10-12S/m)相比，該復(fù)合長(zhǎng)絲具有相當(dāng)好的電性能；但與σ值在107S/m范圍內(nèi)的鐵或銅相比，仍需進(jìn)一步提高，才能獲得完全導(dǎo)電的聚合物。事實(shí)上，正是這種半導(dǎo)體性能，使復(fù)合長(zhǎng)絲適合應(yīng)用于纖維基加熱，引起的電損失可以被用于發(fā)熱。研究通過(guò)改變生產(chǎn)工藝參數(shù)，對(duì)不同變量的影響進(jìn)行了分析，并對(duì)長(zhǎng)絲性能進(jìn)行了優(yōu)化。到目前為止，由亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所(ITA)生產(chǎn)的復(fù)合長(zhǎng)絲具有個(gè)位數(shù)級(jí)的電導(dǎo)率(S/m)。進(jìn)一步描述了達(dá)10倍的性能提升。

聚乙烯/炭黑復(fù)合材料； 電導(dǎo)率； 溫度； 熔融紡絲

1 復(fù)合材料生產(chǎn)

采用德國(guó)J. Engelsmann AG公司的筒箍混合器生產(chǎn)90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚乙烯(PE)和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))炭黑的混合顆粒，所用產(chǎn)品(低密度聚乙烯 Lupolen 1 800 S和石墨化炭黑 EC-600 JD)分別來(lái)自德國(guó)安德巴塞爾工業(yè)公司和阿克蘇諾貝爾公司。目前由于采用的是高質(zhì)量的炭黑，故該混合物價(jià)格為12歐元/kg。使用便宜的炭黑應(yīng)該也可以獲得相似的結(jié)果，從而可將混合物價(jià)格降至4歐元/kg以下。

PE/石墨化炭黑混合物在德國(guó)Brabender公司提供的雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)一步加工，形成均勻的混合物。在此過(guò)程中研究了3個(gè)工藝參數(shù)——加料速度、擠出溫度和擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速(表1)的影響。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

加料速度(r/min)是以進(jìn)料螺桿傳輸機(jī)的轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)的。速度越高，擠出機(jī)填料也越快。隨著溫度的增加，熔體黏度降低。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，剪切力增加。剪切作用可以粉碎顆粒的聚集體，較高的剪切作用可使炭黑的分布更為均勻。

擠出是在低的螺桿轉(zhuǎn)速、低的加料速度和低的溫度下開(kāi)始的。所得粗纖維在水浴中冷卻。當(dāng)纖維細(xì)度保持恒定后，提取試樣。隨后，逐漸增加參數(shù)值，5 min后提取下一個(gè)試樣。采用Brabender公司的制粒機(jī)將所得粗絲切成粒狀。由于所得到的顆粒尺寸很小，很難測(cè)試，因此對(duì)粗絲進(jìn)行了各種測(cè)試，共制備了31種試樣。

2 電導(dǎo)率的確定

電導(dǎo)率(σ)被定義為電阻率(ρ)的倒數(shù)，σ取決于長(zhǎng)絲的截面積(A)、長(zhǎng)度(L)和電阻(R)：

若將纖維截面看作是圓形的，則截面積可通過(guò)測(cè)量直徑而確定。直徑可由數(shù)顯卡尺測(cè)得。為得到平均直徑，每個(gè)試樣都在3個(gè)不同的位置及2個(gè)垂直方向上分別測(cè)量直徑，最后計(jì)算算術(shù)平均值。

電阻采用IsoTech公司的LCR819測(cè)量?jī)x，通過(guò)測(cè)試3個(gè)不同長(zhǎng)度(30、 50和100 mm)的試樣獲得。長(zhǎng)度也可由數(shù)顯卡尺測(cè)得。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制電阻-長(zhǎng)度曲線圖，由斜率可得出賦范電阻，再由截面積與賦范電阻即可得到電阻率。

3 熱分析

在恒定電壓下，溫度與單絲發(fā)熱相關(guān)，故被用作單絲發(fā)熱的指示器。因此，試樣將在紅外攝像機(jī)下觀察2 min。在30 V的直流電壓下，用兩個(gè)相隔100 mm的夾具夾住纖維, 應(yīng)用電流小于0.1 A。同時(shí)測(cè)量讀取最高的溫度。其中有1例溫度甚至超過(guò)100 ℃，80 s后不得不停止該測(cè)試，以防止試樣熔融，該試樣如圖1所示。此外，分別測(cè)定試樣加熱前后的電導(dǎo)率。

圖1 快速加熱30 s后由紅外攝像機(jī)拍攝的試樣圖

4 結(jié)果

23維正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明, 最重要的參數(shù)是擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速和擠出溫度，而加料速度的影響并不大。此外，螺桿轉(zhuǎn)速和擠出溫度之間的相互作用也很重要。電導(dǎo)率對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速的依賴性如圖2所示。當(dāng)加料速度和擠出溫度分別固定為19 r/min和205 ℃時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)最大值，為42.2 S/m。圖3為電導(dǎo)率與擠出溫度的關(guān)系圖。當(dāng)擠出溫度為237 ℃時(shí)，電導(dǎo)率具有最大值63.0 S/m。試樣加熱前后的測(cè)試表明，熱處理并不會(huì)改變它的電導(dǎo)率。

最后，對(duì)所有31個(gè)試樣作發(fā)熱溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系圖(圖4)。原本預(yù)測(cè)發(fā)熱溫度將隨著電導(dǎo)率的降低而增加，這是因?yàn)殡娮钑?huì)將電能轉(zhuǎn)換成熱能，但實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)的相反，發(fā)熱溫度隨著電導(dǎo)率的增加而增加。

圖2 電導(dǎo)率-螺桿速度關(guān)系圖

圖3 電導(dǎo)率-擠出溫度關(guān)系圖

圖4 發(fā)熱溫度-電導(dǎo)率曲線(加熱前)

5 可能的解釋

理論上，電阻的增加將導(dǎo)致更多的電能轉(zhuǎn)換成熱能，因此發(fā)熱溫度也會(huì)隨之增加。但是很明顯，試驗(yàn)中還存在另一個(gè)額外的占據(jù)主導(dǎo)地位的物理過(guò)程并沒(méi)有被考慮到。為了解釋發(fā)熱溫度隨著電導(dǎo)率增加而增加的結(jié)果，提出了如下模型：碳顆粒的分布形成直線通路，從而使得傳導(dǎo)過(guò)程沿著纖維軸向進(jìn)行。隨著纖維中這些直線通路的增加，每條直線的電阻值基本保持不變，電導(dǎo)率隨之增加。因此，增加的直線通路產(chǎn)生了更多的熱，從而導(dǎo)致了發(fā)熱溫度隨著電導(dǎo)率的增加而增加的結(jié)果，見(jiàn)圖5。

圖5 單獨(dú)PE(a)、超過(guò)滲流邊界的PE(b)及具有高電導(dǎo)率和發(fā)熱溫度的PE(c)的示意圖

6 與其他研究比較

其他2個(gè)當(dāng)前的研究項(xiàng)目采用同種炭黑對(duì)聚丙烯(PP)/炭黑復(fù)合材料及聚酰胺(PA)/炭黑復(fù)合材料進(jìn)行了測(cè)試。在相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比下制得兩種導(dǎo)電復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)PP/炭黑復(fù)合材料的電導(dǎo)率高于PE/炭黑復(fù)合材料。

7 展望

生產(chǎn)得到的長(zhǎng)絲可以被加工成粒狀，進(jìn)而可應(yīng)用于熔融紡絲。研究團(tuán)隊(duì)已嘗試進(jìn)行了第一次熔融紡絲，其卷繞速度為700 m/min。

服裝工業(yè)將會(huì)對(duì)由90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚乙烯(PE)和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))炭黑(CB)組成的具有一定熱性能的復(fù)合材料的生產(chǎn)特別感興趣，這種纖維被證明是有益的，能應(yīng)用于可被加熱的外套、帽子、襪子或圍巾等。90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚乙烯(PE)和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))炭黑(CB)組成的復(fù)合材料的另一應(yīng)用是汽車領(lǐng)域，可用作座椅加熱器。

陳書云 譯 王依民 校

PE/carbon black compounds for fiber-based heating

MerleBischoff,BenjaminGlauβ,AdinaH?ndel,GunnarSeide,ThomasGries

IntitutfürTextiltechnik(ITA)ofRWTHAachenUniversity,Aachen/Germany

The aim of the study is to investigate the conductivity and heat generation of a compound consisting of 90 wt% polyethylene (PE) and 10 wt% carbon black (CB). At this ratio the percolation barrier is exceeded. The produced filaments are highly conductive for polymers with a conductivity of σ=10 S/m to σ=50 S/m. Compared to pure polymer, which is rather an electric insulator (σ=10-5S/m to σ=10-12S/m), this is a quite good property; compared to iron or copper in the range of σ=107S/m further improvement is needed to have a fully conductive polymer. Indeed, this semiconductive property is the reason why this compound is suitable of fibre-based heating. The electric losses are used for heat generation. By varying the production process parameters, the influence of different variables is analysed and the desired properties are optimized. So far, compound produced at the ITA had conductivities in the single-digit S/m area. The improvement by a factor of 10 is further described.

PE/carbon black compound; conductivity; temperture; melt spinning