基底改性導電碳黑/聚氨酯復合材料的制備與性能

邢高瞻，沈宏武，張 彪

（安徽安利材料科技股份有限公司，安徽合肥230093）

聚氨酯（PU）合成革是一種特殊的高分子材料，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前使用范圍越來越廣泛，其作為手套材料也是一種流行趨勢，而觸屏手套在電子行業(yè)和手機使用者中具有特殊功能，可以避免操作中反復脫戴的麻煩。但是，目前使用導電材料多為納米材料，其在高分子漿料中的分散性較差，很難形成均勻漿料。很多研究者考慮通過改性處理的方式提高其相容性。顧云金等[1]研究了納米導電碳黑的表面改性對超高壓半導電屏蔽料相容性的影響。林強等[2-3]通過改性導電碳黑/水性聚氨酯材料形成復合材料，通過改性提高導電碳黑在水性聚氨酯料中的分散性。

本文以十二烷基苯磺酸為基底活化改性導電碳黑（MCB），采用機械共混法,與聚氨酯（PU）高分子材料形成復合材料（MCB/PU），探討了MCB 含量對復合材料的導電性能、力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料

十二烷基苯磺酸為基底活化改性導電碳黑，質量有效成分40%，粒徑40 nm，比表面積62 m2/g，工業(yè)級，上海尼弘貿(mào)易有限公司；聚氨酯樹脂（PU，SW-3015A），工業(yè)級，合肥安利聚氨酯新材料有限公司；N,N-二甲基甲酰(DMF)，工業(yè)級（回收），安徽安利材料科技股份有限公司。

1.2 實驗步驟

（1）復合材料（MCB/PU）的制備

按照比例稱取MCB，加入DMF 溶液，攪拌均勻，超聲分散10 min，然后加入聚氨酯樹脂SW-3015A，機械攪拌均勻，然后邊抽邊快速攪拌，抽真空5 min 至真空度≤-0.5 bar。

（2）MCB/PU 合成革的制備

分別按照表1 進行配方配制：

表1 實驗配方表

主要工藝流程：

圖1 實驗工藝流程圖

1.3 測試和表征

電阻率測試，將材料裁制成1 cm×1 cm×0.6 mm方塊形狀，采用絕緣電阻測試儀測試其電阻率，測試溫度為室溫。

剝離強度測試，將測試材料裁成10 cm×3 cm 條狀樣條，與熱熔膠對粘。粘接條件為130℃×30 s，冷卻常溫后，拉力機測試其剝離強度，拉力機移動速度為200 mm/min，每樣平行測試3 次，取其平均值。

表面耐磨性能測試：將測試材料裁成直徑為10 cm圓形樣條，TABLE 耐磨100 轉后，測試材料重量損失，計算其失重比，同時觀察其表面破損情況，測試溫度為室溫。

失重比(c)=（磨損前質量（m0）-磨損后質量（m1））/磨損前質量（m0）

2 結果與討論

2.1 MCB/PU 分散均勻性以及漿料穩(wěn)定性

未經(jīng)過改性的CB，在加入聚氨酯樹脂漿料中時，打漿機攪拌后形成團聚現(xiàn)象，無法均勻分散。CB/PU0 和MCB/PU3 同時分別攪拌時，CB/PU0 中CB 在漿料表面形成團聚現(xiàn)象，無法分散，而MCB/PU3 可以很好地分散。這是由于CB 本身粒徑較小，達到納米級別，同時比表面積較大，分散困難，容易形成團聚現(xiàn)象。而活化后，改性的MCB 表面能明顯下降，和聚氨酯漿料相互混合，分散均勻，形成穩(wěn)定的漿料[4]。

2.2 MCB/PU 合成革的導電性分析

圖2 不同樣品的體積電阻率變化

表2 不同加入量的觸屏效果

由圖2 和表2 可以看出，改性后MCB/PU 合成革可以明顯提高聚氨酯合成革的導電性能，當MCB 加入量達到10%時，體積電阻率1×106Ω·m，觸屏效果靈敏度較高，可以較為靈活地觸屏一般智能手機或者電腦平板，當將加入量進一步提高時，電阻率進一步降低，但是降低幅度明顯下降。這是因為改性的MCB 與聚氨酯漿料均勻分散，經(jīng)過凝聚烘干定型后，在基體中均勻分散，形成較為良好的導電通路[5]。但是，當MCB 含量進一步提高時，由于導電通路已經(jīng)形成，再提高MCB 含量電阻降低有限，同時進一步提高含量時，觸屏靈敏度提高不明顯。

2.3 MCB/PU 合成革的剝離強度

圖3 不同樣品的體積電阻率變化

由圖3 可以看出，加入不同MCB 量時，成革后的剝離強度變化為開始加入量較少時，剝離下降幅度較小，但是加入量高于10%時，剝離強度下降明顯。這是因為開始加入量較小時，聚氨酯在凝聚后可以形成穩(wěn)定均勻的孔型結構，形成較小、均勻的孔層結構，剝離孔層時，剝離強度較穩(wěn)定，剝離強度較高。但是，隨著MCB 加入量的提高，在聚氨酯凝聚過程中形成孔層時，MCB 作為聚氨酯的凝聚中心，加快了凝聚速度，形成較大的孔層結構，剝離就會明顯降低[6]。

2.4 MCB/PU 合成革的耐磨性能

圖4 不同樣品的體積電阻率變化

由圖4 和表3 可以看出，加入MCB 不同量時，成革后耐磨測試時表面變化，開始加入量較少時，耐磨性能較好，但是加入量高于10%時，磨損失重比提高較多。這是因為加入量較小時，聚氨酯在凝聚后可以形成穩(wěn)定均勻的孔型結構，表面形成致密層結構，表面耐磨較好，磨損損失較少。但是，隨著MCB 加入量的提高，加快了凝聚速度，在表面也會形成微小的孔層結構，在聚氨酯凝聚過程中表面致密性下降，同時表面也形成部分微孔結構，造成表面的耐磨性能明顯下降。

3 結論

（1）十二烷基苯磺酸為基底可以明顯活化改性導電碳黑，提高其與聚氨酯漿料的相容性能，提高分散性。

表3 不同加入量耐磨效果

（2）與常規(guī)PU 合成革相比，MCB/PU 合成革可以明顯提高合成革的導電性能，當MCB 加入量為10%時，體積電阻率下降到1×106Ω·m，具有非常靈敏的觸屏效果。

（3）隨著MCB 加入量超過10%時，進一步提高，合成革的物性下降較為明顯，特別是剝離和耐磨性能，需要綜合考慮各方面的物性確定其加入量。