(東華大學材料科學與工程學院，上海 200237)

近年來，聚四氟乙烯(PTFE)纖維成為研發(fā)的熱點。由于其優(yōu)良的耐化學性、抗衰老和疏水性，聚四氟乙烯纖維已被廣泛使用在過濾器、包裝和基板等各種領(lǐng)域，特別是在高溫過濾材料上，它起著非常重要的作用［1－2］。然而，由于聚四氟乙烯具有高電阻率1022～1024Ω·m［3］，這使得靜電容易積聚在其表面。暴露在化學粉塵或煤塵時可能會導致爆炸。這就使得改善聚四氟乙烯纖維的導電性，使其具有防靜電性能顯得尤其重要。

基體電導率的提高，可以幫助消除電荷，有效地防止靜電積聚［3］。在實際制造過程中，一些導電纖維，如石墨纖維或不銹鋼絲，被混合進去可提高過濾裝置的導電性。

我們嘗試引入導電炭黑(CB)在聚四氟乙烯纖維中，以減少電阻，同時保持其低表面能。對炭黑造成的的動態(tài)力學響應(yīng)和表面疏水性的影響進行了研究。此外，對所取得的PTFE/CB纖維的形態(tài)和電學性能進行了測試。

1 實驗過程

1.1 主要原料

商業(yè)聚四氟乙烯粉末，四川晨光有限公司，數(shù)均相對分子質(zhì)量約為1.03×106;商業(yè)名稱為ISOPAR的低相對分子質(zhì)量烷烴用作潤滑油添加劑;用納米級炭黑Degusai FW200作為導電添加劑。

1.2 實驗過程

首先將潤滑劑(15%，質(zhì)量分數(shù))、納米級炭黑(4.25%，質(zhì)量分數(shù))和聚四氟乙烯細粉(80.75%，質(zhì)量分數(shù))在室溫下混合攪拌。在V型攪拌機中混合24 h，使?jié)櫇裥院头植歼_到統(tǒng)一。得到的黏稠狀原料先裝在一個圓柱形閉塞管狀模具中預壓，以使其達到密度1 800 kg/m3。然后將原料轉(zhuǎn)入擠出機，在一確定速度下進行擠出。剛擠出的產(chǎn)物要保持在150℃于烘箱中12 h，使?jié)櫥蛣]發(fā)，然后在室溫、40 MPa的壓力下壓成薄膜。一組薄膜加熱到380℃熔融5 min，然后在空氣中冷卻，為以后的表面性能測試做準備;另一組薄膜切割后，在270℃拉伸5～6倍，進而獲得卷繞絲。卷繞絲在380℃通過進一步的拉伸和熱定型獲得最終的長絲。

1.3 性能測試

用熱力學分析機(TA Q800)進行動態(tài)熱機械性能(DMA)測試，以5℃/min的增幅從室溫升高到270℃，選用1 Hz的頻率;接觸角(CA)通過光學接觸角儀(OCA40，Dataphysics)測試，檢測其親水性能;對燒結(jié) PTFE/CB纖維和純 PTFE纖維，使用Keithley487伏安表測量電阻。使用掃描電鏡(JSM－5600LV，JEOL)觀察加入納米級炭黑的聚四氟乙烯纖維形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

DMA的測試結(jié)果見圖1。動態(tài)儲能模量(E*)和tanδ對于PTFE/CB和純PTFE的溫度函數(shù)分別繪制成圖。由圖1(a)可以看出，在整個溫度范圍內(nèi)PTFE/CB的儲能模量只有純PTFE的三分之一，這和一般的有納米添加劑的高分子復合材料不同。這可能是由于炭黑和聚四氟乙烯間缺乏強相互作用造成的，根本原因是由于聚四氟乙烯的化學穩(wěn)定性和非極性。隨著溫度的增加，兩個樣品的儲能模量下降，鏈段的流動性增強。

圖1 DMA測試圖

由圖1(b)可以看出，純PTFE峰值在148℃，這是非晶聚四氟乙烯鏈轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的。對于PTFE/CB，轉(zhuǎn)變溫度的降低了約10℃，這是由于炭黑的作用產(chǎn)生了增塑效果，使鏈段滑動更容易。對各自表面上水滴接觸角測量來確定PTFE/CB和純PTFE的親疏水性，圖2為測試結(jié)果，純PTFE出現(xiàn)108.5°的接觸角，而PTFE/CB為100.3°。結(jié)果表明，PTFE/CB相比純PTFE的表面能高一點，但它仍然顯示疏水性的特點。

圖2 接觸角測試

經(jīng)測試，擠出的PTFE/CB樣條的電阻率是11.524±1.69 Ω·m，拉伸后 PTFE/CB 長絲纖維的值卻可達到(1.963±0.389) × 106Ω·m，這是由于在拉伸中炭黑粒子間距離增大造成的。

圖3顯示了PTFE/CB纖維表面的SEM照片。原料微粒經(jīng)擠出加工后變成微纖，是聚四氟乙烯纖維的一種獨特現(xiàn)象。同樣可以看出炭黑粒子相當均勻的分布在產(chǎn)生的微纖維中。由放大的圖像，圖3(b)可以看出，炭黑粒子沿微纖維的方向發(fā)展，形成面狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 (a):PTFE/CB纖維表面形態(tài);(b):樣品的高倍率形象。

3 結(jié)論

本次實驗通過擠出和兩步拉伸成功地制備了PTFE/CB導電纖維。加入炭黑降低了聚四氟乙烯的儲能模量和轉(zhuǎn)化的溫度。導電PTFE/CB保持了疏水性的特點。含約5%炭黑的聚四氟乙烯纖維的電阻率約可達到(1.963±0.389) × 106Ω·m。SEM結(jié)果表明炭黑粒子在聚四氟乙烯微纖維之間的分布相當均勻，而且沿微纖維的方向發(fā)展形成面狀網(wǎng)絡(luò)。

［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.