石墨/ABS树脂导电复合材料的研究 摘要：用机械共混法制备电学性能优良的(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS) /石墨导电复合材料。研究了石墨含量、偶联剂对石墨分散性及导电复合材料电导率和拉伸强度的影响。同时，利用扫描电镜（SEM）对复合材料的微观特征进行了分析。EST120数字高阻仪和VICTOR6266数字万用表测试分析得出石墨在ABS中的逾渗阈值约为40%。WDT-90电子万能试验机测试分析得出石墨含量为30%左右时，复合材料拉伸强度最大。 关键词：石墨 ABS 电阻率 拉伸强度 断裂伸长率
0 引言
随着电子技术的全面快速发展，由导电粒子填充聚合物构成的复合型导电材料越来越受到人们的重视[1,2]。导电性高分子材料具备许多优异的性能，在抗静电制品、电磁波屏蔽、敏感元件、复合薄膜、微型开关等许多领域都获得了广泛的应用[3-7]。在各种聚合物基体中，ABS作为通用塑料，以产量大、性能好、价格低等优点得到大量应用[8]。但ABS的体积电阻率较高，为了获得低电阻率的ABS复合材料，常在ABS中添加导电填料，降低其电阻率。在各种导电填料中，石墨被普遍用于聚合物导电填料。这是因为其资源丰富，价格低廉，导电性持久稳定。
本文用ABS做基体，石墨作导电填料，通过机械共混法制备导电复合材料。采用扫描电子显微镜观察导电复合材料的形态结构。采用高阻计和数字万用表测试了复合材料的电阻率。采用万能试验机测试了复合材料的拉伸强度。研究了石墨填料对ABS基复合材料电学性能和力学性能的影响。
1 实验部分
1.1原材料
天然鳞片石墨：碳含量99%，天津市开发区乐泰化工有限公司；ABS：PA757，台湾奇美公司；钛酸酯偶联剂：TC-27，天长市宏盛精细化工厂。
1.2试样制备
将ABS颗粒和石墨粉末投入双辊混炼机中，170℃下混炼15分钟，放入平板硫化机中，在160℃，20MPa下压制15分钟；热压成型制得ABS/石墨导电复合材料样片。试样为长度50mm，宽度15mm，厚度3mm的样片。
1.3性能测试
ABS/石墨复合材料的微观分散形态用日立S4800扫描电子显微镜。ABS/石墨复合材料的电阻率检测在北京华晶汇科贸有限公司的EST120数字高阻仪和深圳市胜利高电子科技有限公司的VICTOR6266数字万用表测试。ABS/石墨复合材料的拉伸强度和断裂伸长率在深圳市凯强利有限公司生产的WDT-90电子万能试验机上进行。 2结果与讨论
2.1石墨含量对导电复合材料导电性能的影响
ABS/石墨导电复合材料的导电过程是经混炼后，石墨以粒子形式分散于ABS复合材料中，随着石墨添加量的增加，粒子间距降低，当接近或成接触状态后，形成大量导电网络通道，使得材料的体积电阻和表面电阻降低，导电性能提高。本文为了更直观的体现石墨含量对导电复合材料导电性能的影响，将测得的电阻率数据根据公式：电导率=电阻率的倒数，转化为电导率作图。
图1，当石墨含量比较低时，随着石墨含量的增加，复合材料的电导率略有提高，从曲线上看，这一段比较平缓，复合材料的电导率提高只是由于石墨的掺杂作用引起的，复合体系还没有形成导电通路;当石墨含量增加到一定量时，复合材料的电导率大幅度提高，石墨含量的这一个值称为渗滤阀值[9-11]。
复合材料的电导率大幅度提高，表明复合材料内开始逐步形成导电通路。这种导电现象被称为 “隧道效应”[12]。当石墨含量再增加，导电通路变得密集，复合材料由石墨粒子相互接触而导电，形成了完整的导电通路，此时，随着石墨含量的增加，复合材料的电导率几乎不变。
Conductivity(S/cm)Graphite Content(%)
图1：石墨的添加量对复合材料电导率的影响
Fig1:Effect of Graphite content on the conductivity of composites
2.2偶联剂对复合材料导电性能的影响
图2，从图中可看出，加入钛酸酯偶联剂后的复合材料的电导率明显增大，并且石墨的逾渗滤值也有所减小。这是由于钛酸酯偶联剂可以提高石墨和ABS基体的相容性，使石墨更好的分散开，增加形成导电通路的几率，有利于材料导电性的提高。 图3，是加入偶联剂前后的复合材料SEM图。从图中可看出，a中没有添加偶联剂石墨片层聚集在一起，分散程度差，只是使ABS基体部分导电。b中添加偶联剂后，石墨片层分散在ABS基体中，构成大量导电通道。因为偶联剂的加入可改变石墨在ABS中的分散性， 石墨粒子相互接触形成导电通道。
Conductivity(S/cm)
Graphite Content(%)
图2：偶联剂对复合材料电导率的影响
Fig2:Effect of coupling agents on the conductivity of composites
图3：加入偶联剂前后复合材料的断面SEM图
Fig3: SEM on the fracture surface of join coupling agent before and after composite
2.3石墨含量对导电复合材料力学性能的影响
图4，当石墨含量很少时，石墨能被ABS完全包覆，石墨和ABS相互扩散，两者之间粘合强度大，因此拉伸强度也大。随着石墨含量的增多，大部分石墨聚集在一起。石墨与ABS粘合强度低，因此拉伸强度越来越低。
图5，随着石墨含量的增加，复合材料的断裂伸长率急剧下降。石墨填料为高模量硬性材料，脆性大。同时石墨作为具有表面活性与ABS接触，使其长链结构滑移困难。所以。随着石墨含量的增加，复合体系的脆性增大，复合体系的断裂伸长率就会急剧下降。
Tensile Strength(MPa)Graphite Content (%)
图4：石墨的添加量对复合材料拉伸强度的影响
Fig4:Effect of Graphite content on the tensile strength of composites
Elongation at break (%)Graphite Content (%)
图5：石墨的添加量对复合材料断裂伸长率的影响
Fig5:Effect of Graphite content on the elongation at break of composites
3结论
1.机械共混法中，导电复合材料的电阻率随石墨含量的增加而降低。石墨的逾渗滤值约为40%。当石墨添加量达到55%之后复合材料的电阻率基本稳定。
2.通过偶联剂改性，改善了石墨在ABS基体中的分散性，降低了复合材料的电阻率，同时也降低了石墨填料在ABS基体中的逾渗滤值。
3.随着石墨含量的增加，复合材料的拉伸强度先增加再减少，当30%时拉伸强度最大。复合材料的最大断裂伸长率则呈现一直下降的趋势。
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