聚四氟乙烯/炭黑导电纤维的制备及性能

(东华大学材料科学与工程学院，上海 200237)

近年来，聚四氟乙烯(PTFE)纤维成为研发的热点。由于其优良的耐化学性、抗衰老和疏水性，聚四氟乙烯纤维已被广泛使用在过滤器、包装和基板等各种领域，特别是在高温过滤材料上，它起着非常重要的作用［1－2］。然而，由于聚四氟乙烯具有高电阻率1022～1024Ω·m［3］，这使得静电容易积聚在其表面。暴露在化学粉尘或煤尘时可能会导致爆炸。这就使得改善聚四氟乙烯纤维的导电性，使其具有防静电性能显得尤其重要。

基体电导率的提高，可以帮助消除电荷，有效地防止静电积聚［3］。在实际制造过程中，一些导电纤维，如石墨纤维或不锈钢丝，被混合进去可提高过滤装置的导电性。

我们尝试引入导电炭黑(CB)在聚四氟乙烯纤维中，以减少电阻，同时保持其低表面能。对炭黑造成的的动态力学响应和表面疏水性的影响进行了研究。此外，对所取得的PTFE/CB纤维的形态和电学性能进行了测试。

1 实验过程

1.1 主要原料

商业聚四氟乙烯粉末，四川晨光有限公司，数均相对分子质量约为1.03×106;商业名称为ISOPAR的低相对分子质量烷烃用作润滑油添加剂;用纳米级炭黑Degusai FW200作为导电添加剂。

1.2 实验过程

首先将润滑剂(15%，质量分数)、纳米级炭黑(4.25%，质量分数)和聚四氟乙烯细粉(80.75%，质量分数)在室温下混合搅拌。在V型搅拌机中混合24 h，使润湿性和分布达到统一。得到的黏稠状原料先装在一个圆柱形闭塞管状模具中预压，以使其达到密度1 800 kg/m3。然后将原料转入挤出机，在一确定速度下进行挤出。刚挤出的产物要保持在150℃于烘箱中12 h，使润滑油剂挥发，然后在室温、40 MPa的压力下压成薄膜。一组薄膜加热到380℃熔融5 min，然后在空气中冷却，为以后的表面性能测试做准备;另一组薄膜切割后，在270℃拉伸5～6倍，进而获得卷绕丝。卷绕丝在380℃通过进一步的拉伸和热定型获得最终的长丝。

1.3 性能测试

用热力学分析机(TA Q800)进行动态热机械性能(DMA)测试，以5℃/min的增幅从室温升高到270℃，选用1 Hz的频率;接触角(CA)通过光学接触角仪(OCA40，Dataphysics)测试，检测其亲水性能;对烧结 PTFE/CB纤维和纯 PTFE纤维，使用Keithley487伏安表测量电阻。使用扫描电镜(JSM－5600LV，JEOL)观察加入纳米级炭黑的聚四氟乙烯纤维形态。

2 结果与讨论

DMA的测试结果见图1。动态储能模量(E*)和tanδ对于PTFE/CB和纯PTFE的温度函数分别绘制成图。由图1(a)可以看出，在整个温度范围内PTFE/CB的储能模量只有纯PTFE的三分之一，这和一般的有纳米添加剂的高分子复合材料不同。这可能是由于炭黑和聚四氟乙烯间缺乏强相互作用造成的，根本原因是由于聚四氟乙烯的化学稳定性和非极性。随着温度的增加，两个样品的储能模量下降，链段的流动性增强。

图1 DMA测试图

由图1(b)可以看出，纯PTFE峰值在148℃，这是非晶聚四氟乙烯链转变产生的。对于PTFE/CB，转变温度的降低了约10℃，这是由于炭黑的作用产生了增塑效果，使链段滑动更容易。对各自表面上水滴接触角测量来确定PTFE/CB和纯PTFE的亲疏水性，图2为测试结果，纯PTFE出现108.5°的接触角，而PTFE/CB为100.3°。结果表明，PTFE/CB相比纯PTFE的表面能高一点，但它仍然显示疏水性的特点。

图2 接触角测试

经测试，挤出的PTFE/CB样条的电阻率是11.524±1.69 Ω·m，拉伸后 PTFE/CB 长丝纤维的值却可达到(1.963±0.389) × 106Ω·m，这是由于在拉伸中炭黑粒子间距离增大造成的。

图3显示了PTFE/CB纤维表面的SEM照片。原料微粒经挤出加工后变成微纤，是聚四氟乙烯纤维的一种独特现象。同样可以看出炭黑粒子相当均匀的分布在产生的微纤维中。由放大的图像，图3(b)可以看出，炭黑粒子沿微纤维的方向发展，形成面状网络。

图3 (a):PTFE/CB纤维表面形态;(b):样品的高倍率形象。

3 结论

本次实验通过挤出和两步拉伸成功地制备了PTFE/CB导电纤维。加入炭黑降低了聚四氟乙烯的储能模量和转化的温度。导电PTFE/CB保持了疏水性的特点。含约5%炭黑的聚四氟乙烯纤维的电阻率约可达到(1.963±0.389) × 106Ω·m。SEM结果表明炭黑粒子在聚四氟乙烯微纤维之间的分布相当均匀，而且沿微纤维的方向发展形成面状网络。

［1］O′Hagan D，Harper D B.Fluorine－containing natural products［J］.JournalofFluorineChemistry，1999，100(1－2):127－133.

［2］Tervoort T.Melt－processable poly(tetrafluoroethylene［J］.Macromolecules，2000，33(17):6460－6465.

［3］http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity.

［4］Show Y，Itabashi H.Electrically conductivematerialmade from CNT and PTFE［J］.Diamond and Related Materials，2008，17(4－5):602－605.

［5］Ariawan A B，Ebnesajjad S Hatzikiriakos SG.Paste Extrusion of Polytetrafluoroethylene(PTFE)Fine Powder Resins［J］.The Canadian Journal of Chemical Engineering，2002，80(6):1153－1165.