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《國際紡織導(dǎo)報(bào)雜志》2016年第11期

摘要：

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，填料含量超過了滲流邊界值。由該復(fù)合材料制備的長絲的導(dǎo)電性較好，其電導(dǎo)率σ＝10～50S／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。研究通過改變生產(chǎn)工藝參數(shù)，對不同變量的影響進(jìn)行了分析，并對長絲性能進(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)合長絲具有個(gè)位數(shù)級的電導(dǎo)率（S／m）。進(jìn)一步描述了達(dá)10倍的性能提升。

關(guān)鍵詞：

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J．EngelsmannAG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Lupolen1800S和石墨化炭黑EC－600JD）分別來自德國安德巴塞爾工業(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。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，5min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，很難測試，因此對粗絲進(jìn)行了各種測試，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取決于長絲的截面積（A）、長度（L）和電阻（R）：σ＝1ρ＝1R•LA若將纖維截面看作是圓形的，則截面積可通過測量直徑而確定。直徑可由數(shù)顯卡尺測得。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)垂直方向上分別測量直徑，最后計(jì)算算術(shù)平均值。電阻采用IsoTech公司的LCR819測量儀，通過測試3個(gè)不同長度（30、50和100mm）的試樣獲得。長度也可由數(shù)顯卡尺測得。根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制電阻－長度曲線圖，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2min。在30V的直流電壓下，用兩個(gè)相隔100mm的夾具夾住纖維，應(yīng)用電流小于0．1A。同時(shí)測量讀取最高的溫度。其中有1例溫度甚至超過100℃，80s后不得不停止該測試，以防止試樣熔融，該試樣如圖1所示。此外，分別測定試樣加熱前后的電導(dǎo)率。

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19r／min和205℃時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)最大值，為42．2S／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63．0S／m。試樣加熱前后的測試表明，熱處理并不會改變它的電導(dǎo)率。最后，對所有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㈦娔苻D(zhuǎn)換成熱能，但實(shí)際結(jié)果與預(yù)測的相反，發(fā)熱溫度隨著電導(dǎo)率的增加

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)地位的物理過程并沒有被考慮到。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，見圖5。

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700m／min。服裝工業(yè)將會對由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。

作者:陳書云 王依民 單位:亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所