李 佳，賈二偉，許神超，曹 峰，司萬杰，王巧維

（哈爾濱理工大學 化學工程與環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱150080）

前 言

聚乙烯是由乙烯分子聚合而成的高分子材料，質輕、無毒，具有優(yōu)良的電絕緣性能和耐腐蝕性能，而且其價格低廉可回收，因此被廣泛應用于日用品、包裝材料、管材及電線電纜等方面[1～3]。但是在聚乙烯的生產、加工和使用過程中，靜電現(xiàn)象是非常普遍的，而聚乙烯的體積電阻率很大，通常在1016～1020Ω·cm的范圍內[4]，因而，帶上靜電后很難消除，這些電荷的積聚正是導致生產障礙、火災、爆炸和電擊等災害的根源。因此，聚乙烯的抗靜電性能日益重要，其最有效的辦法就是改變聚乙烯自身的導電性能，使靜電荷能很快地泄露掉[5～7]。碳纖維不僅具有其它碳系導電良好的性能，而且是一種力學性能優(yōu)異的新材料。因此本文選用了碳纖維對聚乙烯材料進行抗靜電改性研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：低密度聚乙烯（LDPE），大慶石化公司；碳纖維：日本東麗公司。

主要儀器：開放式混煉機，QB-350B，無錫市第一機械設備廠；平板硫化機，QLB-250/Q，無錫市第一橡塑機械設備廠；扭矩流變儀，PM-200A，哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司；振動電容式超高電阻計，ZC36型，上海翠遠電子儀器有限公司；掃描電子顯微鏡，ZC-36型，飛利浦電子公司；萬能試驗機，WDW4100，中科院長春科新有限公司；沖擊測試機，XC-22，承德精密試驗機有限公司。

1.2 樣品的制備

首先將碳纖維置于100℃烘箱內進行烘干處理24h，剪切至每段長度為2.5cm，然后將稱量好的低密度聚乙烯放入115℃扭矩流變儀中與碳纖維按比例混合均勻，之后將混合好的物料通過開放式混煉機壓片，再將其在平板硫化機熱壓30min，最后進行相關性能測試。

1.3 性能測試

1.3.1 沖擊強度

采用XC-22沖擊測試機對材料的沖擊強度進行測試。對不同組分的試樣各取3個進行試驗，取其算術平均值作為最終結果。

1.3.2 拉伸強度

采用WDW系列微機控制電子萬能試驗機對材料的拉伸強度進行測試。對不同組分的試樣各取3個進行試驗，取其算術平均值作為最終結果。

1.3.3 表面電阻率和體積電阻率

采用振動電容式超高電阻計（ZC36型）測試材料的表面電阻率和體積電阻率，電壓為1000V，試樣直徑為50mm，厚度為1mm。對不同組分的試樣各取3個進行試驗，取其算術平均值作為最終結果。

1.3.4 電子掃描顯微鏡測試

本文采用飛利浦公司生產的熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡FEISirion200型對材料表面進行觀察，測試之前表面進行噴金處理。

2 結果及分析

2.1 碳纖維對材料力學性能的影響

圖1 碳纖維含量對材料沖擊性能的影響Fig.1 The effect of CF content on the impact property of material

圖2 碳纖維對材料拉伸性能的影響Fig.2 The effect of CF on the tensile strength of material

圖1是在聚乙烯中添加碳纖維后，材料的沖擊強度的變化曲線。圖2是在聚乙烯中添加碳纖維后，材料的拉伸強度的變化曲線。從圖1和圖2當中可以看出，在聚乙烯中添加碳纖維（CF）后，體系的沖擊強度和拉伸強度都有所提高。碳纖維是一種長徑比很大的連續(xù)纖維，而此種形狀的材料本身就可以很好地吸收沖擊能；碳纖維搭接形成的網絡也可以使材料受到沖擊作用時，能很快地將沖擊能分散到材料的其它部分；再次，材料斷裂過程中存在著纖維的脫黏和拔出，也可以吸收沖擊能。測試結果表明，碳纖維的加入可在一定程度上提高材料的力學性能。

2.2 材料斷面形貌觀察

圖3 材料的斷面掃描電鏡照片(a:×1000；b:×1500)Fig.3 The SEM photo of material section

圖3為碳纖維/聚乙烯材料的斷面掃描電鏡照片。從圖中可以看出，在材料的斷面上，有碳纖維分布，且分布較為均勻。

2.3 體積電阻率測試

圖4 碳纖維對材料體積電阻率的影響Fig.4 The effect of CF on the volume resistivity of material

圖4是在聚乙烯中添加碳纖維后，材料的體積電阻率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著碳纖維添加量逐漸增加，材料的體積電阻率逐漸降低。當碳纖維添加量達到2%時，碳纖維/聚乙烯材料的體積電阻率達到2.8×1012Ω·cm。這是因為隨著碳纖維添加量的逐漸增大，在材料中相互搭接形成到電通路的碳纖維量會逐漸增多，從而使材料的體積電阻率降低。

圖5是在聚乙烯中添加碳纖維后，材料的表面電阻率的變化。從圖中可以看出，隨著碳纖維添加量逐漸增加，碳纖維/聚乙烯材料表面電阻率逐漸下降。當碳纖維濃度達到2%時，材料的表面電阻可以達到5.6×1012Ω?？梢?，碳纖維的加入，可在一定程度上提高聚乙烯的抗靜電性能。

圖5 碳纖維對材料表面電阻率的影響Fig.5 The effect of CF on the surface resistivity of material

3 結 論

本文采用共混法，向低密度聚乙烯當中添加了碳纖維，得到了碳纖維/低密度聚乙烯（CF/LDPE）材料，并對所得材料的沖擊性能、拉伸性能以及抗靜電性能進行了測試，同時對材料的斷面進行了觀察。結果表明，碳纖維在材料斷面分布比較均勻；當碳纖維在聚乙烯中添加量為2%時，沖擊強度為21.5MPa，拉伸強度19.2MPa，體積電阻率為2.8×1012Ω·cm，表面電阻為5.6×1012Ω。

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［6］趙擇卿, 陳小立.高分子材料導電和抗靜電技術及應用［M］.第一版.北京:中國紡織出版社, 2006：50～58.

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