PAN基碳化纤维静电耗散材料的表面电阻率研究.pdf

张姗等:PAN基碳化纤维静电耗散材料的表面电阻率研究
PAN基碳化纤维静电耗散材料的表面电阻率研究
张妍'2,王成国2,袁华2,于美杰2,林雪2,高晓冬2
1.山东大学材料科学与工程学院材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,山东济南25006
2.山东大学材料科学与工程学院碳纤维工程技术研究中心,山东济南250061)
摘要:制备了一种以氟碳树脂为基体,聚丙烯庸全隐患。含碳量为65%~90%(质量分数)的纤维称
(PAN)基短切碳化纤维为导电填料的抗静电复合涂为碳化纤维,它们的体电阻率大约为10~2~1032
层。讨论了纤维的含量、长度、涂层厚度及外加电压对cm1?。其碳化温度大约为600~1000C1,制备时不
涂层表面电阻率的影响。结果表明表面电阻率和碳化必经过高温炭化炉,使得其制备成本远远低于碳纤维
纤维质量分数之间的关系符合逾渗理论,当纤维长度因此,碳化纤维在静电耗散材料方面有着广阔的应用
为4mm时,此体系的渗漶阙值为2.5%(质量分数),
前景。
其表面电阻率为10°,具有良好的抗静电性能;表画
本文以氟碳树脂为基体,一种PAN基短切碳化纤
电阻率随纤维长度的增加而降低,但降低的程度愈来
维为填料,制备了碳化纤维/氟碳树脂复合凃层。讨论
愈小;涂层厚度在不超过134m的情况下,对表面电
了纤维的含量、长度、涂层厚度及外加电压对涂层表面
阻率的影响較小;涂层的表面电阻率在高外加电压下
较低外加电压下小;碳化纤維/氟碳树脂复合涂层的导电阻率的影响,并借助光学显微镜和扫描电镜研究了
电机理是由导电通道、隧道效应和场致发射3种导电复合涂层的抗静电机理。
机理竟相作用的结果
实验
关键词:碳化纤维;氟碳树脂;表面电阻率;静电耗散
材料;抗静电
2.1原料
中图分类号:TQ342.74
文献标识码:A
采用的基料树脂是氟碳树脂,由青岛海洋化工研
文章编号:1001-9731(2012)13-1789-04
究院生产提供;导电填料是由山东大学碳纤维技术中
心自主研发的PAN基中温碳化纤维,未上浆(目的是
1引言
增强与树脂的结合)。纤维的性能如表1所示
碳纤维作为导电填料,具有质轻、长径比大等优
表1本文中所用碳化纤维的性能
点「:?),容易形成长程导电通道,在添加量很少的情况
Table 1 Properties of carbonaceous fiber
下就可以获得导电性能较好的复合材料,对基体本身
直径(pm)密度(g/cm3)碳含量(%)体电阻率(?cm)
的性能影响较小。近几年来,许多导电聚合物复合材
8.5士0.2
1.671
74.03
0.378
料的制备选用了碳纤维(碳含量>92%(质量分数))作
为导电填料「3?,然而将其应用于静电耗散材料方面却2.2短切纤维/氟碳树脂复合涂层制备
存在以下两个关键问题。美国电子工业联合会规定静
将碳化纤维用丙酮清洗干净,干燥后,剪成所需长
电耗散材料的表面电阻率范围为10~102,而伸度,称重后备用。采用机械搅拌的方法对短切纤维进
用碳纤维(碳含量>92%(质量分数)作静电耗散材料行分散,待纤维分散均匀后加入固化剂。以100m×
通常存在两种结果:当碳纤维含量较低时,未能在涂层100mm的玻璃纤维复合板为底材,采用刷涂法制备均
中形成连续的网络结构,此时复合涂层的表面电阻率匀抗静电涂层,室温48h后完全固化。每个样品做3
主要取决于涂料本身的电阻率(104~1017Q)9,因此个平行样。
涂层的表面电阻率太大,不能有效地抑制静电荷的积
性能测试
累或将已经产生的静电尽快泄露掉;当碳纤维含量增
使用美国 Fluke公司 Fluke1508型绝缘电阻测试
加并在涂层中形成连续网络结构时,复合涂层的表面仪测试复合涂层的表面电阻,多点测量取平均值,再由
电阻率主要取决于碳纤维的体电阻率(10-a?cm),式(1)计算复合涂层的表面电阻率2:
因此涂层的表面电阻率太小,容易导致电弧放电,毁坏
电子芯片和部件?,而且会在某些场合隐藏触电的安
°-R。b
基金项目:国际科技合作资助项目(2009DFR50600);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB605601);国家
自然科学基金资助项目(50902088);山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FQ013);山东省博士后创新资助项目
(200902028)
收到初稿日期:2011-12-2
收到修改稿日期:2012-04-23
通讯作者:王成国
作者简介:张姆(1985-),女,山东潍坊人,在读博士,师承王成国教授,主要从事碳纤维及其复合材料的研究。
1790
2012年第13期(43)卷
式中,p为涂层表面电阻率,M;R为涂层表面电和静电放电
阻,M2;b为涂层测试宽度(电极宽度),cm;l为涂层3.2纤维长度对涂层表面电阻率的影响
测试长度,cm。
F. Bueche借助于 Flory体型缩聚凝胶化理论,估
采用 Motic Pol-BA300型偏光显微镜观察短切纤算了复合型导电高聚物中无限网链形成时,复合涂层
维在涂层中的分散情况。采用JSM-6700F型扫描电的电导率与导电填料的填充量之间的关系[1
镜对复合涂层的表面形貌进行观察。
C
(2)
3结果与讨论
式中,k为复合材料的电导率;n为高分子基体的
导电率;ip为导电填料的导电率;V。为高分子基体的
1纤维含量对涂层表面电阻率的影响
体积分数;V。为导电填料的体积分数;on为导电填粕
根据F. Bueche提出的复合型导电高聚物的导电的无限网链的质量分数。
无限网链理论,当复合涂层中导电填料的添加量较
由于&mくn,式(2)近似转化为式(3):
少时,载流子流通的通道完全被绝缘性树脂阻断,此时
(3)
涂层的表面电阻取決于绝缘性树脂的电阻。当涂层中
电阻率在数值上等于电导率的倒数,即:
导电填料的浓度达到某一临界值(即渗滤阈值)时,导
电填料相互接触形成导电通路,此时涂层的电阻会急
剧地下降几个数量级。本文研究了长度为4mm时,碳
式(3)可以转化为式(4)
化纤维的含量(质量分数,下同)对涂层表面电阻率的
影响,如图1所示。
12.0k
式中,为复合材料的电阻率;。为导电填料的电
10.k
阻率
6.0k
本文研究了纤维含量相同(3.0%(质量分数))的
情况下,长度对涂层表面电阻率的影响(测试电压
400?
500V),如图2所示。随着纤维长度的增加,涂层的表
面电阻率呈下降趋势。在纤维含量相同的情况下,体
积分数V。不变,而长度越长,纤维之间越容易相互搭
接形成网链。也就是说,纤维长度愈长,无限网链的质
Mass ratio of fibers and resin/%
图1纤维的添加量对表面电阻率的影响
量分数就愈大,因此涂层的电阻率P就愈小。长度
Fig 1 Effect of fibers content on surface resistivity of从3mm增加到4m时,表而电阻率下降了66.97%,
the coating