泡沫密度对电性能的影响
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摘要：聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫塑料是一种轻质硬质泡沫塑料，具有100%的闭孔结构，比交联聚氯乙烯（XPVC）、聚氨酯（PUR）等硬质泡沫塑料具有更高的强度、模量和抗蠕变性能，耐热性能可达到240℃，是目前耐热性最好的刚性结构泡沫塑料之一，可满足190℃的固化工艺对尺寸稳定性的要求。同时PMI泡沫塑料又是一种低介电材料，其优异的力学性能和加工性能，使其作为纤维泡沫塑料夹层结构的芯层用于天线罩、飞机雷达罩等透波材料领域。
关键词：泡沫密度、电性能
1 前言
泡沫复合材料具有密度低，质轻，比强度高，吸收冲击载荷能力强、隔热性能好等优异性能，广泛应用于工业、家用电器、包装、交通运输、军事、航空航天和日常用品等领域。而其体积电阻率一般在1012～1017Ω·cm之间，所以长期以来都是作为一种优良的电绝缘材料使用，但随着现代科技的进步和发展，特别是电子工业、通信技术的飞速发展，对具有导电性能的泡沫复合材料的需求与日俱增。本研究结合导电泡沫复合材料优异的物理特性和导电性能，探索其在各种环境中功能复合材料体系结构与电性能的关系。
2 复合型导电高分子材料
2.1复合型导电高分子材料的分类
按结构和制备方法的不同，导电高分子材料可分为本征型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。本征型导电高分子材料即结构型导电高分子材料，是指高分子本身具备电子传输能力或共轭高聚物经过掺杂后具有导电能力的材料，如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。本征型导电高分子材料由于本身刚性大、加工成型困难、难溶、掺杂剂多属腐蚀性强、剧毒的物质，电阻率的变化范围较窄，且其导电的重复性和稳定性较差、生产成本高等缺点，以上缺点限制了其发展。复合型导电高分子材料是指以高聚物为基体，在成型加工过程中添加碳系填料、金属氧化物、金属材料等为导电填料，使其具有一定的导电能力。复合型导电高分子材料综合了各组分的优点，其兼具了导电填料的导电性以及高分子材料的各种优异性能，且导电性能可根据实际使用情况可在大范围内调节，成本较低、成型加工相对简便、适用于大规模大批量的生产等特点，因而得到了迅速发展和广泛的应用。
2.2复合型导电高分子材料的导电机理
（1）导电通路如何形成
导电通路的形成是指在给定的加工工艺条件下，导电填料在基体中是如何达到相互接触，并且使材料在整体上能够自发地形成导电网络这一宏观自组装的过程，这个过程受到复合材料体系的热力学、动力学和几何拓扑学等多方面因素的影响。目前，导电通路形成的模型主要有：统计渗流模型、热力学模型、有效介质模型和微结构模型等。对于导电通路形成，到目前为止应用最为广泛的基础理论是渗流理论，该理论认为体系内分布着许多一定规律或无规节点，这些节点间能够按一定的几率存在连接的可能，当这个规律发生变化时，达到某一临界值时，节点间可以相互连接并组成了无限的连通簇的现象称为渗流现象。
导电高分子材料的电阻率随导电填料含量的变化呈现出典型的渗流行为。当材料中的导电填料含量较低时，导电粒子或其聚集体无规则的分散在基体中，导电粒子相互接触的几率很小，难以形成贯穿整个材料体系的导电通路，材料呈绝缘态;当导电填料含量接近或略微超过渗流阈值时，导电粒子之间出现相互接触或团聚，通过隧道效应或电子跃迁形成连续的导电网络，电阻率发生急剧的变化。当导电填料含量超过渗流阈值时，继续增加导电填料，电阻率无明显的变化。
2.3复合型导电高分子材料导电性能影响因素。
（1）导电填料的性质种类和用量
选择碳黑比表面积大、结构高、表面活性基团含量少的种类可以提高复合材料的导电性能;纤维状导电填料的导电性能与纤维的长径比和分散性有关，在添加量相同时，纤维的长径比越大，复合材料的导电性就越好;以金属薄片为导电填料制备的导电复合材料的导电性能好，金属薄片越薄，导电性能越好。
（2）高聚物的性质和种类
复合材料的导电性能与高聚物的表面张力、粘度以及结晶度有关，聚合物的表面张力越小，复合材料的导电性能就越好;以同一种类聚合物为基体，粘度的下降，复合材料的导电性就升高;对于高结晶度的聚合物作为基体，比采用结晶度低的复合材料的导电性能好。
（3）导电填料分散度的影响
填料分散性愈好，则在较小的用量下就可以形成导电网络结构，渗流阈值愈低。
3 泡沫复合材料的概述
泡沫塑料是一种应用广泛的高分子材料，它以聚合物为基本成分，含有大量气泡，因此泡沫塑料也是一种以气体为填料的复合材料。与纯塑料相比，它有许多优异的性能，如质量轻、比强度高、具有吸收冲击载荷能力强、隔热和隔音性能好等特点。所以泡沫复合材料被广泛应用于工业、民用、家用电器、包装、交通运输、军事、航空航天和日常用品等领域。
绝大部分塑料都可通过发泡制成泡沫塑料，因此泡沫材料品种繁多，其分类方法也是多种多样。按发泡倍率可以分为高发泡泡沫和低發泡泡沫;根据泡沫塑料的软硬程度不同可以分为硬质泡沫、半硬质泡沫和软质泡沫;根据泡孔的结构可以分为开孔泡沫与闭孔泡沫;根据泡体的结构又可以分为一般的泡沫塑料和结构泡沫塑料。
泡沫复合材料一般可以通过注射发泡、模压发泡、挤出发泡、可发性粒料发泡、溶液涂覆发泡、旋转成型发泡等方法制备，其中前三种尤为重要，本实验主要采用模压发泡。由于泡沫复合材料中存在着许多微孔，而这些微孔中都是质量很轻的气体。因此，泡沫复合材料的这一特点，也就是最大的优点乃至异常的轻巧。再加上塑料的耐磨性和耐水性、良好的隔热性能，使泡沫复合材料已成为塑料中用途最多的品种。泡沫复合材料的主要用途如下：
（1）热绝缘材料，主要有硬质聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛、脲醛泡沫塑料等。
（2）衬垫材料，常用的是软质聚氨酯泡沫塑料等。
（3）减震包装及漂浮材料，常用的有聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯泡沫塑料。
（4）电绝缘材料，主要有聚烯烃、聚苯乙烯、聚氯乙烯等泡沫塑料。
（5）轻质结构材料，应用于建筑、军工等部门。主要是使用聚氨酯、聚苯乙烯、环氧、有机硅等泡沫塑料。
4 交联剂含量与导电泡沫复合材料的电性能的关系
在高聚物中加入交联剂，使线型高聚物分子或带支链的线型高聚物的分子产生交联结构，结果使高聚物的分子结构由线型转变为体型的结构。实验采用过氧化二异丙苯（DCP）作为交联剂。
交联剂使高聚物的内部产生自由基，使基体与基体之间、基体与炭黑粒子之间产生交联结构，交联结构使eva分子能够捕获碳颗粒。为不同交联剂含量对导电泡沫复合材料导电性能的影响。导电泡沫复合材料的体积电阻率随着交联剂含量的增加而升高。因为复合材料中的交联点密度随着交联剂含量的增加而增加，对炭黑粒子在基体中的分散程度产生影响，影响了泡沫复合材料的电性能。当交联剂含量为0.5%时，泡沫复合材料的导电性较好，但在模压过程中出现粘模现象;当交联剂含量大于1.5%时，导电性明显降低，可能是交联剂含量太多，使导电泡沫复合材料中产生的交联点过多，致使材料的结构太过于致密，炭黑粒子难以均匀分散在基体中，电阻率升高。但当复合材料中不加交联剂时，难以模压成型。由于泡沫复合材料中缺乏交联点，大分子链之间的连接较差，致使分子结构致密程度不够，材料难以成型。当交联剂含量为1%时，导电泡沫复合材料的导电性能与0.5%时比较接近，且表面光滑平整。
5 结束语
泡沫密度对电性能的影响对于LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料，当炭黑质量分数小于15.88%时，体系的体积电阻率变化很小，处于绝缘态：当炭黑质量分数在（15.88%-21.87%）范围内，体系的体积电阻率发生数量级的突变，呈现典型的渗流TJ;为;当炭黑质量分数继续增加，体系的体积电阻率变化缓慢。
参考文献：
[1]谢克磊，曲春艳，马瑛剑，杨海冬.交联剂对PMI泡沫塑料结构与性能的影响[J].材料工程.2009（04）
[2]曲春艳，马瑛剑，谢克磊，王德志.聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料[J].化学与粘合.2008（01）
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