MWNTs增強(qiáng)的ABS導(dǎo)電納米復(fù)合材料的制備及性能研究

朱英魁

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

引言

碳納米管是由單層或多層碳原子組成的網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)，具有較高的長(zhǎng)徑比。實(shí)驗(yàn)和理論證明，碳納米管的力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)1.28 TPa[1]。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，碳納米管的導(dǎo)電性能可達(dá)104S/cm，導(dǎo)熱性能可達(dá)6000 W/(m·K)[2-4]。在實(shí)際應(yīng)用中，碳納米管通常作為填料并且需要與金屬、聚合物以及陶瓷一起加工成復(fù)合材料使用。

大多數(shù)高分子材料的電阻率都比較高，這一特點(diǎn)使其應(yīng)用于許多需要絕緣的場(chǎng)景。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子和電力行業(yè)對(duì)材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱的要求越來(lái)越高，普通的高分子材料由于具有較高的絕緣性能，其體積電阻率一般在1×1016Ω·cm以上，限制了其在導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及電磁屏蔽等方面的應(yīng)用。填充型的導(dǎo)電高分子材料是一種理想的抗靜電、電磁屏蔽材料，被廣泛應(yīng)用于塑料芯片、顯示器、便攜電源、通訊等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的填充導(dǎo)電高分子材料需要大量填充才能達(dá)成良好的導(dǎo)電效果，但是大份量的填充會(huì)增加材料的重量并且導(dǎo)致力學(xué)性能的下降[5,6]。研究人員發(fā)現(xiàn)與其他填料相比，碳納米管只需要填充較小的份數(shù)就可提高高分子材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、阻燃以及力學(xué)等性能[7-9]。

ABS是由三種單體通過(guò)陰離子聚合得到的工程塑料。三種單體賦予ABS優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、剛度、韌性、介電性能以及加工性能。ABS被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子電器和建材等領(lǐng)域。ABS與碳納米管制備導(dǎo)電復(fù)合材料已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注[10]。本研究選用ABS作為樹(shù)脂基體，MWNTs作為導(dǎo)電填料，采用熔融共混的方法，研究MWNTs的用量對(duì)ABS導(dǎo)電、導(dǎo)熱、阻燃以及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

基體材料ABS采用韓國(guó)LG生產(chǎn)的XR401；MWNTs采用蘇州恒球納米試劑有限公司生產(chǎn)的CNTS-010-0。

1.2 主要設(shè)備

DZF-6020型真空烘箱，上海舍巖儀器有限公司制造；SHR-5A型高速混合機(jī)，張家港市宏基機(jī)械有限公司制造；CTE35型雙螺桿擠出機(jī)，科倍?。暇C(jī)械有限公司制造；FT-110型注塑機(jī)，浙江申達(dá)塑料機(jī)械有限公司制造；SZ-82型電導(dǎo)率測(cè)試儀，蘇州電訊儀器廠制造；LF447型激光閃光法導(dǎo)熱分析儀，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司制造；UTM-1432型萬(wàn)用拉力機(jī)，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司制造；XJUD型懸臂梁沖擊儀，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司制造；JF-3型氧指數(shù)測(cè)定儀，南京炯雷分析儀器有限公司制造；Zeiss evo18型掃描電子顯微鏡，德國(guó)卡爾蔡司公司制造。

1.3 復(fù)合材料的制備

首先將原料放入真空烘箱中，在90℃的條件下烘干4 h去除原料中多余的水分和揮發(fā)物。稱取500 g的ABS，按照1%，2%，3%，4%，5%的量稱取MWNTs并在高速混合機(jī)中預(yù)混合。接著將混合后的料放入雙螺桿擠出機(jī)中熔融擠出，擠出機(jī)的溫度范圍200℃～240℃，轉(zhuǎn)速為40 rpm。最后將擠出的粒料在注塑機(jī)中注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.4 測(cè)試與表征

采用數(shù)字式四探針電導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)試復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。采用激光閃光法導(dǎo)熱分析儀測(cè)試材料的導(dǎo)熱性能。拉伸性能按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040—1992測(cè)試。萬(wàn)用拉力機(jī)的速度為50 mm/min，啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條在最窄處的尺寸為10 mm×4 mm。沖擊性能按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1843—2008測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)樣條的尺寸為10 mm×4 mm。氧指數(shù)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2406.2—2009測(cè)試。將沖擊斷裂的樣條噴金處理，然后用掃描電鏡觀察樣條的斷面特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWNTs用量對(duì)ABS導(dǎo)電性能的影響

圖1所示為MWNTs用量對(duì)ABS電導(dǎo)率的影響。從圖1可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS的電導(dǎo)率逐漸增加。MWNTs的用量小于1%時(shí)，由于添加量少，還沒(méi)有形成導(dǎo)電通路，此時(shí)電導(dǎo)率的提高僅僅是由于導(dǎo)電填料的加入導(dǎo)致；MWNTs的用量超過(guò)1%以后，MWNTs相互接觸形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致ABS的導(dǎo)電率急劇增加；當(dāng)MWNTs用量超過(guò)3%以后，繼續(xù)增加MWNTs的用量，ABS的電導(dǎo)率幾乎不變。在MWNTs的用量達(dá)到5%時(shí)，ABS的電導(dǎo)率達(dá)到0.13 S/m。

圖1 MWNTs用量對(duì)ABS電導(dǎo)率的影響

2.2 MWNTs用量對(duì)ABS導(dǎo)熱性能的影響

圖2所示為MWNTs用量對(duì)ABS導(dǎo)熱性能的影響。

圖2 MWNTs用量對(duì)ABS導(dǎo)熱性能的影響

從圖2可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS的導(dǎo)熱率逐漸增加。MWNTs的用量小于1%，由于此時(shí)MWNTs尚未形成網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)熱率的增加緩慢；隨著MWNTs用量的增加，MWNTs之間相互接觸形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率迅速增加；在MWNTs的用量超過(guò)3%以后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率的增加變緩。

2.3 MWNTs用量對(duì)ABS阻燃性能的影響

圖3所示為MWNTs用量對(duì)ABS阻燃性能的影響。從圖3可以看出，隨著MWNTs用量的增加，ABS阻燃性能逐漸增加。純ABS的測(cè)試氧指數(shù)為18.2，屬于可燃性塑料；當(dāng)添加2%的MWNTs，ABS的氧指數(shù)為23，屬于自熄性塑料；當(dāng)MWNTs的用量為5%，ABS的氧指數(shù)為27.2，屬于阻燃性塑料。

圖3 MWNTs用量對(duì)ABS阻燃性能的影響

2.4 MWNTs用量對(duì)ABS力學(xué)性能的影響

圖4所示為MWNTs用量對(duì)ABS拉伸強(qiáng)度的影響。從圖4可以看出，隨著MWNTs含量的增加，ABS的拉伸性能出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；在MWNTs用量為3%左右時(shí)，ABS的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖4 MWNTs用量對(duì)ABS拉伸強(qiáng)度的影響

圖5所示為MWNTs用量對(duì)ABS沖擊強(qiáng)度的影響。從圖5可見(jiàn)，隨著MWNTs用量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度先增加后減小。材料在受到外力沖擊破壞時(shí)，MWNTs超高的長(zhǎng)徑比能夠分散外力，避免應(yīng)力集中對(duì)材料造成破壞。但MWNTs添加量較多時(shí)，在復(fù)合材料中的分散不均勻，容易形成應(yīng)力集中，造成力學(xué)性能下降。

圖5 MWNTs用量對(duì)ABS沖擊強(qiáng)度的影響

圖6為純ABS以及添加3%的MWNTs的掃描電鏡圖片。從圖中可以看出，未加MWNTs的ABS在斷裂時(shí)呈現(xiàn)出脆性斷裂，添加3%的MWNTs的ABS在斷裂時(shí)呈現(xiàn)出韌性斷裂。

圖6 復(fù)合材料斷面的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

ABS是一種綜合性能優(yōu)異的高分子塑料。但作為導(dǎo)電塑料使用，ABS的導(dǎo)電性能還需要進(jìn)一步提高。MWNTs具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能。采用熔融共混方法制備的ABS/MWNTs納米復(fù)合材在MWNTs添加量為2%左右時(shí)形成了導(dǎo)電逾滲閡值，添加量超過(guò)3%以后，隨著填料的加入導(dǎo)電率變化很小。隨著MWNTs用量的增加,復(fù)合材料的性能出現(xiàn)如下變化趨勢(shì)：導(dǎo)熱性能逐漸增加；阻燃性能逐漸增加，在添加量為5%時(shí)，復(fù)合材料達(dá)到阻燃材料的標(biāo)準(zhǔn)；拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增加后減小，在用量為2%左右達(dá)到最大值。