抗静电碳纤维复合材料的研制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.002 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 抗静电碳纤维复合材料的研制 张崇芳刘颖 北京科技大学碳纤维及复合材料研究室，北京100083 摘要研究了不同组份的碳纤维一聚氯乙烯复合材料的导电性.结果表明，该复合材料电阻率与 碳纤维的含量及其的长度有关.研制出通用型沥青碳纤维一聚氯乙烯彩色塑料地板，该地板具有 较好的抗静电及耐磨性能， 关键词碳纤维，聚氯乙烯，复合材料，导电性 中图分类号TQ327.3,TM242 碳纤维电阻率约为10-3~10-1Ω·cm,比强度、比模量高，耐磨蚀，是一种新型导电添 加剂.聚丙烯腈基碳纤维强度高，但价格贵，且与树脂混合时易打团，不利于分散，通用型沥青 碳纤维强度虽较差，但便宜，且易混匀.为此，有必要研究通用型沥青碳纤维加人到聚氯乙烯 后形成的复合材料的导电性，以研制抗静电塑料地板，拓宽碳纤维的应用领域. 1实验原料 聚氯乙烯树脂(PVC):XJ4型（悬涂法生产）；通用型沥青碳纤维(CF):与兰州炭素厂等共 同试制，抗拉强度400~600MPa,中15~中25μm.此外，还有改性树脂、碳酸钙填料、助剂及 颜料等制造塑料地板辅助材料. 2实验 2.1PVC-CF复合材料的制备及测试 将PVC树脂基料与切好的CF短丝按预定比例混匀，在长方形不锈钢模具内压实后，于 200℃条件下加热0.5h再迅速加压，冷却后取出样品测量电阻.样品电阻在102以下时用 QJ68型直流电桥测量；样品电阻高于106Q时用ZC36型107Ω超高电阻测试仪测量. 2.2抗静电塑料地板的制备及测试 将PVC树脂、CF原丝及各种辅料混匀后在捏合机上搅拌进行捏合，在双辊混炼机上进 行加热混炼和拉片，随后在加压机上进行热压制，充分冷却后脱模，按规定尺寸进行成品切 割.产品按照有关标准进行电阻及磨耗等性能测定， 1996-03-18收稿 第一作者男57岁副研究员

第 18 卷 第 6期 1 9 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e sr iyt o f S e i e n c e a n d T e c h n o l o yg B e ij ni g V o l 一 1 8 N O 一 6 D e C 。 1 9 9 6 抗静 电碳纤 维复合材料 的研制 张崇芳 刘 颖 北京科技大学碳纤维及 复合材料研究室 , 北京 10 0 0 83 摘要 研究了 不同组份 的碳纤维 一 聚氯 乙烯复合材料 的导 电性 . 结果表明 , 该复合材料 电阻率 与 碳纤维的含量及其 的长度有 关 . 研制出通用 型 沥青碳纤维 一 聚 氯乙 烯彩色塑料地板 . 该地板具有 较好的抗静电及 耐磨性 能 . 关键词 碳纤维 , 聚氯乙 烯 , 复合材料 , 导电性 中图分类号 T 0 3 2 7 . 3 , T M 2 4 2 碳 纤维 电阻率约 为 10 一 3 一 10 一 ’ 0 · 。 m , 比强 度 、 比模 量 高 , 耐磨蚀 , 是 一 种新 型 导 电添 加 剂 . 聚丙烯睛 基碳 纤 维强度 高 , 但 价格 贵 , 且与树 脂混 合 时易 打 团 , 不利 于分 散 . 通用 型沥 青 碳 纤 维强 度虽 较差 , 但便宜 , 且 易混 匀 . 为 此 , 有 必要 研 究通 用 型沥 青 碳纤 维 加人 到 聚氯 乙 烯 后形 成 的复合 材料 的 导电性 , 以 研 制抗静 电塑料地 板 , 拓 宽碳 纤维 的应 用领 域 . 1 实验原料 聚氯 乙 烯树 脂 (P v )C : x 4J 型 ( 悬涂 法生 产) ; 通用 型 沥青碳 纤 维 (C )F : 与兰 州炭 素厂 等共 同试 制 , 抗 拉 强度 4 0 一 6 0 M aP , 中巧 一 中25 卜m . 此外 , 还 有改 性树脂 、 碳 酸钙 填料 、 助剂 及 颜 料等 制造 塑料 地板 辅 助材料 . 2 实验 2 . 1 P v C 一 C F 复合材料的制 备及 测试 将 P V C 树脂 基 料 与切好 的 C F 短 丝 按 预定 比例混 匀 , 在 长方 形 不锈 钢模 具 内压 实后 , 于 20 0 ℃ 条 件 下 加 热 .0 5 h 再 迅 速 加压 , 冷 却 后 取 出样 品 测量 电阻 . 样 品 电阻 在 10 “ O 以 下 时用 Q6J 8 型 直流 电桥测 量 ; 样 品电阻 高于 1O 6 Q 时用 z c 3 6 型 10 ’ 7 Q 超 高 电阻测试 仪测量 . .2 2 抗静电塑料地板的制 备及测 试 将 Pv C 树 脂 、 C F 原 丝及 各种辅 料 混 匀后 在捏 合机 上搅 拌进 行 捏 合 , 在双 辊 混炼 机 上进 行加 热 混 炼 和拉 片 , 随后 在 加压 机 上 进行 热 压 制 , 充分 冷 却后脱模 , 按 规定 尺 寸进 行 成 品切 害」 . 产 品按 照有 关标 准进 行 电阻及磨 耗等 性 能测定 . 19 9 6 一 0 3 一 18 收稿 第一 作者 男 5 7 岁 副研究 员 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 06. 002

第 18 卷 第 6期 1 9 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e sr iyt o f S e i e n c e a n d T e c h n o l o yg B e ij ni g V o l 一 1 8 N O 一 6 D e C 。 1 9 9 6 抗静 电碳纤 维复合材料 的研制 张崇芳 刘 颖 北京科技大学碳纤维及 复合材料研究室 , 北京 10 0 0 83 摘要 研究了 不同组份 的碳纤维 一 聚氯 乙烯复合材料 的导 电性 . 结果表明 , 该复合材料 电阻率 与 碳纤维的含量及其 的长度有 关 . 研制出通用 型 沥青碳纤维 一 聚 氯乙 烯彩色塑料地板 . 该地板具有 较好的抗静电及 耐磨性 能 . 关键词 碳纤维 , 聚氯乙 烯 , 复合材料 , 导电性 中图分类号 T 0 3 2 7 . 3 , T M 2 4 2 碳 纤维 电阻率约 为 10 一 3 一 10 一 ’ 0 · 。 m , 比强 度 、 比模 量 高 , 耐磨蚀 , 是 一 种新 型 导 电添 加 剂 . 聚丙烯睛 基碳 纤 维强度 高 , 但 价格 贵 , 且与树 脂混 合 时易 打 团 , 不利 于分 散 . 通用 型沥 青 碳 纤 维强 度虽 较差 , 但便宜 , 且 易混 匀 . 为 此 , 有 必要 研 究通 用 型沥 青 碳纤 维 加人 到 聚氯 乙 烯 后形 成 的复合 材料 的 导电性 , 以 研 制抗静 电塑料地 板 , 拓 宽碳 纤维 的应 用领 域 . 1 实验原料 聚氯 乙 烯树 脂 (P v )C : x 4J 型 ( 悬涂 法生 产) ; 通用 型 沥青碳 纤 维 (C )F : 与兰 州炭 素厂 等共 同试 制 , 抗 拉 强度 4 0 一 6 0 M aP , 中巧 一 中25 卜m . 此外 , 还 有改 性树脂 、 碳 酸钙 填料 、 助剂 及 颜 料等 制造 塑料 地板 辅 助材料 . 2 实验 2 . 1 P v C 一 C F 复合材料的制 备及 测试 将 P V C 树脂 基 料 与切好 的 C F 短 丝 按 预定 比例混 匀 , 在 长方 形 不锈 钢模 具 内压 实后 , 于 20 0 ℃ 条 件 下 加 热 .0 5 h 再 迅 速 加压 , 冷 却 后 取 出样 品 测量 电阻 . 样 品 电阻 在 10 “ O 以 下 时用 Q6J 8 型 直流 电桥测 量 ; 样 品电阻 高于 1O 6 Q 时用 z c 3 6 型 10 ’ 7 Q 超 高 电阻测试 仪测量 . .2 2 抗静电塑料地板的制 备及测 试 将 Pv C 树 脂 、 C F 原 丝及 各种辅 料 混 匀后 在捏 合机 上搅 拌进 行 捏 合 , 在双 辊 混炼 机 上进 行加 热 混 炼 和拉 片 , 随后 在 加压 机 上 进行 热 压 制 , 充分 冷 却后脱模 , 按 规定 尺 寸进 行 成 品切 害」 . 产 品按 照有 关标 准进 行 电阻及磨 耗等 性 能测定 . 19 9 6 一 0 3 一 18 收稿 第一 作者 男 5 7 岁 副研究 员

Vol.18 No.6 张崇芳等：抗静电碳纤维复合材料的研制 ·503· 本实验中wc在1.5%~10%范围时，基本上属 于这种情况.这时p值随CF的变化率比较大， 12r 这段gp~wc曲线比较陡直. 10 当CF含量增加到碳丝间可以逐渐连接成 网络时，复合材料导电机制变逐渐改变为主要 依靠网络导电.在碳丝网络基本形成后，再增加 w虽然对网络疏密程度以及p值还会有影响， 4 但p变化就小的多.可以看出gp~wc曲线在 wcF=10%以后就下降得比较平缓了. 对于制备导电复合材料来说，要选择适当 46810 的配料比，过分的增加导电纤维的用量不仅没 1/mm 有必要，而且会对混料操作带来很大困难.实验 图3！对复合材料电阻率的影响 结果还说明，CF丝的长短对复合材料的导电性 能也会有很大影响，当wc相同时，所用的CF丝长，长径比大，则该复合材料p值低，可见，这 与长丝较易搭连在一起有关.图3中复合材料的gP值与其所含的C℉丝长1近似成直线关 系，近似关系式为lgp=12.90-1.211. 3.2CF~PVC抗静电塑料地板的研制及其性能 1989年与上海汇丽化学建材总厂协同实验，探索出原料配比和生产工艺，研制出通用型 沥青碳纤维一聚氯乙烯抗静电彩色塑料地板，并通过冶金部技术鉴定，该地板各项性能测试 数据与半硬质聚氯乙烯地板国家标准比较情况列于表1， 测试数据表明，该地板性能符合并超过国家标准.该地板不仅在抗静电性能方面能满足 一般无尘洁净抗静电场所的要求，而且由于C℉的增强作用，抗磨性能优于一般PVC地板数 10倍.此外，还具有其他 表1抗静电塑料地板样品性能与国家标准对照表 较好的物理性能，并具有 测试项目 CF一PVC抗静电半硬质PVC地板国家 彩色、易于铺装等特点. 地板试样测定值标准(GB4085一83) CF是永久型导电添加 吸水长度变化率，% 0.02 0.15 剂，故该地板导电性不会 加热长度变化率，% 0.07 0.20 日久而诚弱. 热膨胀系数/℃1 6×105 1.0×104 所试制的地板（每 23℃凹陷值/mm 0.16 0.30 45℃凹陷值/mm 0.32 0.60 块300mm×300mm× 残余凹陷值/mm 0.10 0.15 2mm)在1间20m2的小 加热质量损失率，% 0.33 0.50 型计算机房地面用导电 磨耗(1000周)/g·cm2 0.0044 0.20 胶直铺使用后，测试其电 表面电阻/Q·cm2 5×107 阻值约为10102，对地电 体积电阻/Q·cm3 3×10 二 阻约为3×1002

V o l . 18 N o . 6 张崇芳等: 抗静 电碳纤 维复 合材 料的研制 本 实验 中 w c F 在 L S% 一 10% 范 围时 , 基本 上属 于 这 种情 况 . 这 时 p 值 随 C F 的 变 化 率 比较 大 , 这段 lg p 一 w e F 曲线 比较 陡直 . 当 C F 含 量 增 加 到 碳 丝 间 可 以 逐 渐 连 接 成 网 络 时 , 复 合 材 料 导 电机 制 变 逐 渐 改 变 为 主 要 依 靠 网 络 导电 . 在碳 丝 网络基 本 形 成后 , 再增 加 wc F 虽 然对 网 络疏 密 程度 以 及 p 值还 会有 影 响 , 但 p 变化就小 的多 · 可 以 看 出 l g p 一 w c F 曲线在 w c F = 10% 以 后就 下 降得 比较 平缓 了 . 对于 制 备导 电复 合 材 料 来 说 , 要 选择 适 当 的配 料 比 , 过 分 的 增 加 导 电纤 维 的用 量不 仅没 有 必 要 , 而 且 会对混料 操 作 带来 很 大 困难 . 实 验 结 果 还说 明 , C F 丝 的 长短 对 复合 材 料 的 导 电性 图3 1对 复合材料 电阻率 的影响 能也 会有很 大影 响 , 当 w c F 相 同时 , 所用 的 C F 丝 长 , 长径 比大 , 则该 复合 材料 p 值低 , 可见 , 这 与长 丝较 易 搭 连 在一 起有 关 . 图 3 中复合 材料 的 lg p 值 与 其所 含 的 C F 丝 长 l 近似 成 直 线 关 系 , 近 似 关系式 为 gl p = 12 .9 0 一 1 . 2 1 .1 1 2 C F 一 P V C 抗静 电塑 料地板的研制及其性能 198 9 年 与上海 汇丽 化学建 材 总 厂协同 实验 , 探索出 原料 配 比和 生产 工 艺 , 研 制 出通 用 型 沥青 碳 纤 维 一 聚氯 乙 烯抗 静电彩 色 塑料 地板 , 并 通过 冶金 部 技术 鉴定 . 该地 板各 项 性能 测试 数 据与半 硬 质 聚氯 乙 烯地 板 国 家标 准 比较情 况列 于表 1 . 测试 数 据表 明 , 该地 板 性 能符 合并 超 过 国家 标 准 . 该 地板不 仅在抗 静 电性能 方 面能满足 一般 无 尘 洁净 抗 静 电场所 的要求 , 而 且 由于 C F 的增 强作 用 , 抗 磨性 能 优 于 一般 PV C 地 板数 10 倍 . 此 外 , 还 具 有 其 他 较好的物 理 性能 , 并具 有 彩 色 、 易 于铺 装 等 特 点 . C F 是 永 久 型 导 电 添 加 剂 , 故 该地 板 导 电性不 会 日久而 减 弱 . 所 试 制 的 地 板 ( 每 块 3 0 0 m m x 3 0 0 n n 们n x Z nu ) 在 l 间 2 0 m Z 的 小 型计 算 机 房 地 面 用 导 电 胶 直铺使 用后 , 测 试其 电 阻值 约 为 10 ’ 0 9 , 对 地 电 阻 约 为 3 x l o , o Q . 表 1 抗静 电塑料地板样 品性 能与 国家标 准对照表 测试项 目 C F一P V C抗 静电 地板试样测定值 半硬质 PV C地板 国家 标 准 (G B 4 0 8 5一 8 3 ) 吸水 长度 变化率 , % 加热 长度 变化率 ,% 热膨胀系数 /℃ 一 , 2 3 ℃ 凹 陷值 /m l l l 4 5 ℃ 凹 陷值厄u n 残余 凹 陷值 / ~ 加热质量损失率 ,% 磨耗 (一00 0 周 ) g/ · e m 表面 电阻 / 。 · c m 一 , 体积 电阻 / 。 · c m -3 0 . 0 2 0 . 0 7 6 x 1 0 一 5 0 . 1 6 0 . 3 2 0 . 1 0 0 . 3 3 0 . 0 04 4 5 x 10 7 3 x 1 0 8 0 . 15 0 . 2 0 1 . 0 x 1 0 闷 0 . 3 0 0 . 6 0 0 . 1 5 0 . 5 0 0 . 2 0

·504· 北京科技大学学报 1996年No.6 4结论 (I)PVC-CF复合材料的电阻率随wc增加而降低.当wc≈10%时，导电主要机制发生 变化.该复合材料电阻率还与所含CF的丝长有关，在同样含量的情况下，C℉丝较长时则该材 料电阻率较低， (②)试制的通用型沥青碳纤维一聚氯乙烯抗静电彩色塑料地板性能良好，碳纤维兼具有 添加剂导电及增强机械性能作用， 参考文献 1王茂章，贺福著.碳纤维的制造、性质及应用.北京：科学出版社，1984 2宋焕成，赵时熙编.聚合物基复合材料.北京：国防工业出版杜，1986 3 Chung K T.Sabo A,Pica A P.Electrical Permitivity and Conductivity of Carbon Black-polyvinyl Chloride Composite.Journal of Applied Physics,1982,10:6867~6879 4 Hoon S R,Shelton A,Tanner B K.Time-dependent Resistivity in Carbon Fiber Sheet.Journal of Materials Science,1985,20:3311 ~3319 Study of Anti-electrostatic Carbon Fibre Composite Zhang Chongfang Liu Ying Research Section of Carbon Fibre And Composice Materials.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The electric conducting of polyvinyl chloride composite containing different contents was investigated.The results show that the electric conductivity of the composite is influenced by the length and contents of carbon fibres.Isotropic pitch-based carbon fibres PVC color plastic flour is successfully made,which has a better anti-static electric- ity and wearability. KEY WORDS carbon fibres,PVC,composite,electric conductivity

. 5 0 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 6年 N o . 6 4 结论 ()l VP C 一 CF 复 合材 料 的电 阻率 随 wc F 增加 而 降低 · 当 w c F 侧 10% 时 , 导 电主要 机 制发 生 变化 . 该 复合材料 电阻 率还 与所 含 C F 的丝 长有 关 , 在 同样 含量 的情 况下 , C F 丝 较长 时则 该材 料 电阻率 较低 . (2 )试制 的通 用型 沥 青碳 纤 维 一 聚氯 乙 烯 抗静 电彩色 塑 料地 板 性 能 良好 , 碳 纤 维 兼具有 添加 剂 导 电及 增 强机 械性 能作用 . 参 考 文 献 1 王茂 章 , 贺福著 . 碳 纤维的制造 、 性质及应用 . 北京: 科学出版社 , 19 84 2 宋焕成 , 赵时熙编 . 聚合物基复合材料 . 北京 : 国 防工业出版社 , 1 986 3 C h u n g K T , S a b o A , P i e a A P . E l e e itr e a l P emr i ti v iyt an d C o n d u e t i v iyt o f C a r b o n B l a e k一0 1Vy in y l C hi o ir d e C o m P o s i t e . J o unr a l o f A P P li e d Ph y s i e s , 1 9 8 2 , 10 : 6 8 6 7 一 6 8 7 9 4 H o n S R , S h e l t o n A , T a n e r B K . T im e 一 d e P e n d e n t R e s i s ti v iyt i n C ar b o n F i b e r S h e et . J o unr a l o f M at e ir a l S S Ci e n C C , 19 85 , 2 0 : 3 3 1 1 ~ 3 3 19 S ut dy o f A n t i 一 e l e e tr o s t a t i e C a r b o n F i b r e C o m P o s it e hZ a n g hC o n g f乙n g L i u iY n g R e s e acr h S e e t i o n o f C ar b o n F ib r e A n d C o m P o s i e e M a t e ir a l s , U S T B , B e ij in g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T T h e e l e e tr i e e o n d u e t i n g o f P o ly v i n y l e h l o ir d e e o m P o s it e e o n ta in i n g d i fe r e n t e o n t e n t s w a s i n v e s ti g a t e d . T h e r e s u lt s s h o w th a t ht e e l e e tr i e e o n du e t i v ity o f t h e e o m P o s ite 1 5 i n fl u e n e e d by ht e l e n g t h an d e o n t e n t s o f e a rb o n if b r e s . I s o otr Pi e Pi t e h 一 b a s e d e a r b o n if b r e s PV C e o l o r P l a s t i e fl o u r 1 5 s u e e e s s fu ll y m a d e , w h i e h h a s a b e t e r an t i 一 s at ti e e l e e tr i e - i yt an d w e a r a b iliyt . K E Y W O R D S e a r b o n if b r e s , PV C , e o m P o s it e , e l e e tr i e e o n d u e t i v i yt