应用于纤维基加热的聚乙烯/炭黑复合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. Händel, G. Seide, T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(ITA)(德国)



应用于纤维基加热的聚乙烯/炭黑复合材料

M. Bischoff, B. Glauβ, A. Händel, G. Seide, T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(ITA)(德国)

本研究的目的在于探讨由90%(质量分数)的聚乙烯(PE)和10%(质量分数)的炭黑(CB)组成的复合材料的电导率和发热性。在该比例下，填料含量超过了渗流边界值。由该复合材料制备的长丝的导电性较好，其电导率σ=10～50 S/m。与相当于电绝缘体的纯聚合物(σ=10-5～10-12S/m)相比，该复合长丝具有相当好的电性能；但与σ值在107S/m范围内的铁或铜相比，仍需进一步提高，才能获得完全导电的聚合物。事实上，正是这种半导体性能，使复合长丝适合应用于纤维基加热，引起的电损失可以被用于发热。研究通过改变生产工艺参数，对不同变量的影响进行了分析，并对长丝性能进行了优化。到目前为止，由亚琛工业大学纺织技术研究所(ITA)生产的复合长丝具有个位数级的电导率(S/m)。进一步描述了达10倍的性能提升。

聚乙烯/炭黑复合材料； 电导率； 温度； 熔融纺丝

1 复合材料生产

采用德国J. Engelsmann AG公司的筒箍混合器生产90%(质量分数)聚乙烯(PE)和10%(质量分数)炭黑的混合颗粒，所用产品(低密度聚乙烯 Lupolen 1 800 S和石墨化炭黑 EC-600 JD)分别来自德国安德巴塞尔工业公司和阿克苏诺贝尔公司。目前由于采用的是高质量的炭黑，故该混合物价格为12欧元/kg。使用便宜的炭黑应该也可以获得相似的结果，从而可将混合物价格降至4欧元/kg以下。

PE/石墨化炭黑混合物在德国Brabender公司提供的双螺杆挤出机上进一步加工，形成均匀的混合物。在此过程中研究了3个工艺参数——加料速度、挤出温度和挤出机螺杆转速(表1)的影响。

表1 试验参数

加料速度(r/min)是以进料螺杆传输机的转速为基础的。速度越高，挤出机填料也越快。随着温度的增加，熔体黏度降低。随着螺杆转速的提高，剪切力增加。剪切作用可以粉碎颗粒的聚集体，较高的剪切作用可使炭黑的分布更为均匀。

挤出是在低的螺杆转速、低的加料速度和低的温度下开始的。所得粗纤维在水浴中冷却。当纤维细度保持恒定后，提取试样。随后，逐渐增加参数值，5 min后提取下一个试样。采用Brabender公司的制粒机将所得粗丝切成粒状。由于所得到的颗粒尺寸很小，很难测试，因此对粗丝进行了各种测试，共制备了31种试样。

2 电导率的确定

电导率(σ)被定义为电阻率(ρ)的倒数，σ取决于长丝的截面积(A)、长度(L)和电阻(R)：

若将纤维截面看作是圆形的，则截面积可通过测量直径而确定。直径可由数显卡尺测得。为得到平均直径，每个试样都在3个不同的位置及2个垂直方向上分别测量直径，最后计算算术平均值。

电阻采用IsoTech公司的LCR819测量仪，通过测试3个不同长度(30、 50和100 mm)的试样获得。长度也可由数显卡尺测得。根据测量数据绘制电阻-长度曲线图，由斜率可得出赋范电阻，再由截面积与赋范电阻即可得到电阻率。

3 热分析

在恒定电压下，温度与单丝发热相关，故被用作单丝发热的指示器。因此，试样将在红外摄像机下观察2 min。在30 V的直流电压下，用两个相隔100 mm的夹具夹住纤维, 应用电流小于0.1 A。同时测量读取最高的温度。其中有1例温度甚至超过100 ℃，80 s后不得不停止该测试，以防止试样熔融，该试样如图1所示。此外，分别测定试样加热前后的电导率。

图1 快速加热30 s后由红外摄像机拍摄的试样图

4 结果

23维正交设计试验结果表明, 最重要的参数是挤出机螺杆转速和挤出温度，而加料速度的影响并不大。此外，螺杆转速和挤出温度之间的相互作用也很重要。电导率对螺杆转速的依赖性如图2所示。当加料速度和挤出温度分别固定为19 r/min和205 ℃时，电导率达最大值，为42.2 S/m。图3为电导率与挤出温度的关系图。当挤出温度为237 ℃时，电导率具有最大值63.0 S/m。试样加热前后的测试表明，热处理并不会改变它的电导率。

最后，对所有31个试样作发热温度与电导率的关系图(图4)。原本预测发热温度将随着电导率的降低而增加，这是因为电阻会将电能转换成热能，但实际结果与预测的相反，发热温度随着电导率的增加而增加。

图2 电导率-螺杆速度关系图

图3 电导率-挤出温度关系图

图4 发热温度-电导率曲线(加热前)

5 可能的解释

理论上，电阻的增加将导致更多的电能转换成热能，因此发热温度也会随之增加。但是很明显，试验中还存在另一个额外的占据主导地位的物理过程并没有被考虑到。为了解释发热温度随着电导率增加而增加的结果，提出了如下模型：碳颗粒的分布形成直线通路，从而使得传导过程沿着纤维轴向进行。随着纤维中这些直线通路的增加，每条直线的电阻值基本保持不变，电导率随之增加。因此，增加的直线通路产生了更多的热，从而导致了发热温度随着电导率的增加而增加的结果，见图5。

图5 单独PE(a)、超过渗流边界的PE(b)及具有高电导率和发热温度的PE(c)的示意图

6 与其他研究比较

其他2个当前的研究项目采用同种炭黑对聚丙烯(PP)/炭黑复合材料及聚酰胺(PA)/炭黑复合材料进行了测试。在相同的质量分数比下制得两种导电复合材料，发现PP/炭黑复合材料的电导率高于PE/炭黑复合材料。

7 展望

生产得到的长丝可以被加工成粒状，进而可应用于熔融纺丝。研究团队已尝试进行了第一次熔融纺丝，其卷绕速度为700 m/min。

服装工业将会对由90%(质量分数)聚乙烯(PE)和10%(质量分数)炭黑(CB)组成的具有一定热性能的复合材料的生产特别感兴趣，这种纤维被证明是有益的，能应用于可被加热的外套、帽子、袜子或围巾等。90%(质量分数)聚乙烯(PE)和10%(质量分数)炭黑(CB)组成的复合材料的另一应用是汽车领域，可用作座椅加热器。

陈书云 译 王依民 校

PE/carbon black compounds for fiber-based heating

MerleBischoff,BenjaminGlauβ,AdinaHändel,GunnarSeide,ThomasGries

IntitutfürTextiltechnik(ITA)ofRWTHAachenUniversity,Aachen/Germany

The aim of the study is to investigate the conductivity and heat generation of a compound consisting of 90 wt% polyethylene (PE) and 10 wt% carbon black (CB). At this ratio the percolation barrier is exceeded. The produced filaments are highly conductive for polymers with a conductivity of σ=10 S/m to σ=50 S/m. Compared to pure polymer, which is rather an electric insulator (σ=10-5S/m to σ=10-12S/m), this is a quite good property; compared to iron or copper in the range of σ=107S/m further improvement is needed to have a fully conductive polymer. Indeed, this semiconductive property is the reason why this compound is suitable of fibre-based heating. The electric losses are used for heat generation. By varying the production process parameters, the influence of different variables is analysed and the desired properties are optimized. So far, compound produced at the ITA had conductivities in the single-digit S/m area. The improvement by a factor of 10 is further described.

PE/carbon black compound; conductivity; temperture; melt spinning