朱英魁

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

引言

碳纳米管是由单层或多层碳原子组成的网状纤维结构，具有较高的长径比。实验和理论证明，碳纳米管的力学强度可达1.28 TPa[1]。独特的结构赋予碳纳米管优异的导热和导电性能，碳纳米管的导电性能可达104S/cm，导热性能可达6000 W/(m·K)[2-4]。在实际应用中，碳纳米管通常作为填料并且需要与金属、聚合物以及陶瓷一起加工成复合材料使用。

大多数高分子材料的电阻率都比较高，这一特点使其应用于许多需要绝缘的场景。随着科学技术的发展，电子和电力行业对材料导电、导热的要求越来越高，普通的高分子材料由于具有较高的绝缘性能，其体积电阻率一般在1×1016Ω·cm以上，限制了其在导电、导热以及电磁屏蔽等方面的应用。填充型的导电高分子材料是一种理想的抗静电、电磁屏蔽材料，被广泛应用于塑料芯片、显示器、便携电源、通讯等领域。传统的填充导电高分子材料需要大量填充才能达成良好的导电效果，但是大份量的填充会增加材料的重量并且导致力学性能的下降[5,6]。研究人员发现与其他填料相比，碳纳米管只需要填充较小的份数就可提高高分子材料的导电、导热、阻燃以及力学等性能[7-9]。

ABS是由三种单体通过阴离子聚合得到的工程塑料。三种单体赋予ABS优良的化学稳定性、刚度、韧性、介电性能以及加工性能。ABS被广泛应用于汽车、电子电器和建材等领域。ABS与碳纳米管制备导电复合材料已经受到越来越多的关注[10]。本研究选用ABS作为树脂基体，MWNTs作为导电填料，采用熔融共混的方法，研究MWNTs的用量对ABS导电、导热、阻燃以及力学性能的影响。

1 试验

1.1 主要原材料

基体材料ABS采用韩国LG生产的XR401；MWNTs采用苏州恒球纳米试剂有限公司生产的CNTS-010-0。

1.2 主要设备

DZF-6020型真空烘箱，上海舍岩仪器有限公司制造；SHR-5A型高速混合机，张家港市宏基机械有限公司制造；CTE35型双螺杆挤出机，科倍隆（南京）机械有限公司制造；FT-110型注塑机，浙江申达塑料机械有限公司制造；SZ-82型电导率测试仪，苏州电讯仪器厂制造；LF447型激光闪光法导热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司制造；UTM-1432型万用拉力机，承德市金建检测仪器有限公司制造；XJUD型悬臂梁冲击仪，承德市金建检测仪器有限公司制造；JF-3型氧指数测定仪，南京炯雷分析仪器有限公司制造；Zeiss evo18型扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司公司制造。

1.3 复合材料的制备

首先将原料放入真空烘箱中，在90℃的条件下烘干4 h去除原料中多余的水分和挥发物。称取500 g的ABS，按照1%，2%，3%，4%，5%的量称取MWNTs并在高速混合机中预混合。接着将混合后的料放入双螺杆挤出机中熔融挤出，挤出机的温度范围200℃～240℃，转速为40 rpm。最后将挤出的粒料在注塑机中注塑成标准样条。

1.4 测试与表征

采用数字式四探针电导率测试仪测试复合材料的导电性能。采用激光闪光法导热分析仪测试材料的导热性能。拉伸性能按国家标准GB/T 1040—1992测试。万用拉力机的速度为50 mm/min，哑铃型标准样条在最窄处的尺寸为10 mm×4 mm。冲击性能按国家标准GB/T 1843—2008测试，标准样条的尺寸为10 mm×4 mm。氧指数按国家标准GB/T 2406.2—2009测试。将冲击断裂的样条喷金处理，然后用扫描电镜观察样条的断面特征。

2 结果与讨论

2.1 MWNTs用量对ABS导电性能的影响

图1所示为MWNTs用量对ABS电导率的影响。从图1可以看出，随着MWNTs用量的增加，ABS的电导率逐渐增加。MWNTs的用量小于1%时，由于添加量少，还没有形成导电通路，此时电导率的提高仅仅是由于导电填料的加入导致；MWNTs的用量超过1%以后，MWNTs相互接触形成导电网络，导致ABS的导电率急剧增加；当MWNTs用量超过3%以后，继续增加MWNTs的用量，ABS的电导率几乎不变。在MWNTs的用量达到5%时，ABS的电导率达到0.13 S/m。

图1 MWNTs用量对ABS电导率的影响

2.2 MWNTs用量对ABS导热性能的影响

图2所示为MWNTs用量对ABS导热性能的影响。

图2 MWNTs用量对ABS导热性能的影响

从图2可以看出，随着MWNTs用量的增加，ABS的导热率逐渐增加。MWNTs的用量小于1%，由于此时MWNTs尚未形成网络，导热率的增加缓慢；随着MWNTs用量的增加，MWNTs之间相互接触形成导热网络，复合材料的导热率迅速增加；在MWNTs的用量超过3%以后，复合材料的导热率的增加变缓。

2.3 MWNTs用量对ABS阻燃性能的影响

图3所示为MWNTs用量对ABS阻燃性能的影响。从图3可以看出，随着MWNTs用量的增加，ABS阻燃性能逐渐增加。纯ABS的测试氧指数为18.2，属于可燃性塑料；当添加2%的MWNTs，ABS的氧指数为23，属于自熄性塑料；当MWNTs的用量为5%，ABS的氧指数为27.2，属于阻燃性塑料。

图3 MWNTs用量对ABS阻燃性能的影响

2.4 MWNTs用量对ABS力学性能的影响

图4所示为MWNTs用量对ABS拉伸强度的影响。从图4可以看出，随着MWNTs含量的增加，ABS的拉伸性能出现先增加后减小的趋势；在MWNTs用量为3%左右时，ABS的拉伸强度达到最大值。

图4 MWNTs用量对ABS拉伸强度的影响

图5所示为MWNTs用量对ABS冲击强度的影响。从图5可见，随着MWNTs用量的增加，复合材料的冲击强度先增加后减小。材料在受到外力冲击破坏时，MWNTs超高的长径比能够分散外力，避免应力集中对材料造成破坏。但MWNTs添加量较多时，在复合材料中的分散不均匀，容易形成应力集中，造成力学性能下降。

图5 MWNTs用量对ABS冲击强度的影响

图6为纯ABS以及添加3%的MWNTs的扫描电镜图片。从图中可以看出，未加MWNTs的ABS在断裂时呈现出脆性断裂，添加3%的MWNTs的ABS在断裂时呈现出韧性断裂。

图6 复合材料断面的扫描电镜图

3 结论

ABS是一种综合性能优异的高分子塑料。但作为导电塑料使用，ABS的导电性能还需要进一步提高。MWNTs具有优异的导电、导热和力学性能。采用熔融共混方法制备的ABS/MWNTs纳米复合材在MWNTs添加量为2%左右时形成了导电逾渗阂值，添加量超过3%以后，随着填料的加入导电率变化很小。随着MWNTs用量的增加,复合材料的性能出现如下变化趋势：导热性能逐渐增加；阻燃性能逐渐增加，在添加量为5%时，复合材料达到阻燃材料的标准；拉伸强度和冲击强度先增加后减小，在用量为2%左右达到最大值。