聚烯烃/石墨PTC复合材料的研究
以高分子基体材料和导电添加剂复合构成的聚合物PTC(PositiveTemperatureCoefficient)材料具有电阻率随温度升高而增大的特性，在一定的温度范围内，随着温度的升高其电阻率可以迅速增加几个数量级，引起材料科学家的广泛关注并在多个领域获得应用。本论文以PP、HDPE、LDPE为基体材料，并率先采用石墨代替碳黑作为导电填充材料制作成功了具有明显PTC效应的高分子复合导电材料。在系统研究了材料配比、加工工艺对材料PTC强度、电阻转变温度及转变规律的影响后；实验结果证明，采用具有一定粒径的石墨颗粒作为导电添加剂构成的HDPE/石墨和石墨/LDPE体系具有非常明显的PTC效应和电热性能，是理想的新型自控温加热导电材料。
实验结果表明，LDPE/石墨体系在40℃-110℃温度范围内，产生PTC效应，材料的电阻率提高可达5个数量级以上。起始阶段，PTC效应随着温度的提高逐步增大，一般在80℃左右时达到最大值。当材料温度接近其熔点(115℃)时出现NTC效应。其电阻率温度敏感范围随着石墨含量的不同有所不同，基本上随着石墨含量的提高，敏感起始温度也随之提高，其变化规律与材料的玻璃化转变温度相一致。由于材料比重的影响，相对于碳黑导电添加剂体系，获得同样的PTC效应一般需要更高的石墨含量，一般含量超过30％才可以获得明显PTC效应；石墨含量达到35％时可以获得最大PTC效应。从材料制备的重复性和稳定性考虑，退火处理是高分子PTC材料的重要工艺之一，实验结果证明，在基体材料接近熔融态时比较合适。经过退火处理后，一般低温时电阻率会有一定程度的提高。考虑到导电添加剂的界面性质的重要性，对石墨粉体材料进行预处理是必要的，特别是经过有机溶剂清洗后，可以有效降低高分子PTC材料的低温电阻率，一般可以降低一个数量级左右。
而对于HDPE/石墨体系来说，由于其基体材料的结晶度和熔点均高于LDPE，故PTC效应敏感范围出现在90℃-130℃范围内，材料的电阻率变化也可以达到5个数量级。在100℃之前，PTC系数增加较缓慢，105℃之后快速提高，在130℃之后迅速转变成NTC效应。相对于石墨/LDPE体系，在较低石墨含量时就可以获得明显PTC效应，如HDPE/石墨体系在含25％左右石墨时就可获得最大的PTC效应。在温度敏感区域内PTC系数更高，范围更窄；高PTC敏感温度区域比前一体系高大约30℃左右。
聚丙烯(PP)具有较多的支链，结晶度较低。以PP作为基体材料与相同的导电添加剂复合，构成的高分子导电复合材料PTC效应并不明显，仅有2个数量级左右。PTC效应温度敏感范围受材料配比的影响更为明显，正温度系数则更小。
本论文在自己设计的实验装置上测定了器件的加热功率与温度的相互关系。实验结果证明具有明显的自控温性质，其中LDPE/石墨体系自控温度发生在60℃左右，适合作为低温自控温加热器材料，而HDPE/石墨体系自控温度较高，可以达到90℃左右，适合作为较高温区的自控温加热。上述结果与我们在相关体系PTC效应测试中得到的结果基本吻合。
总之，初步实验结果已经表明，HDPE/石墨和LDPE/石墨复合体系是一个具有发展前途的有机PTC材料，具有良好的应用前景。在自控温及相关放热功率的测试中得到的初步结果，也表明了这一体系具有良好的应用前景，比较适宜作为低温(100℃下)的自控温发热器件。也为进一步的工业化应用打下了较好的基础。
聚烯烃;石墨;PTC效应;导电复合材料;自控温;热功率
中国海洋大学
硕士
应用化学
赵文元
2005
中文
TB331;TB341;O635.1
54
2006-07-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）