基底改性导电碳黑/聚氨酯复合材料的制备与性能

邢高瞻，沈宏武，张 彪

（安徽安利材料科技股份有限公司，安徽合肥230093）

聚氨酯（PU）合成革是一种特殊的高分子材料，经过几十年的发展，目前使用范围越来越广泛，其作为手套材料也是一种流行趋势，而触屏手套在电子行业和手机使用者中具有特殊功能，可以避免操作中反复脱戴的麻烦。但是，目前使用导电材料多为纳米材料，其在高分子浆料中的分散性较差，很难形成均匀浆料。很多研究者考虑通过改性处理的方式提高其相容性。顾云金等[1]研究了纳米导电碳黑的表面改性对超高压半导电屏蔽料相容性的影响。林强等[2-3]通过改性导电碳黑/水性聚氨酯材料形成复合材料，通过改性提高导电碳黑在水性聚氨酯料中的分散性。

本文以十二烷基苯磺酸为基底活化改性导电碳黑（MCB），采用机械共混法,与聚氨酯（PU）高分子材料形成复合材料（MCB/PU），探讨了MCB 含量对复合材料的导电性能、力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 原材料

十二烷基苯磺酸为基底活化改性导电碳黑，质量有效成分40%，粒径40 nm，比表面积62 m2/g，工业级，上海尼弘贸易有限公司；聚氨酯树脂（PU，SW-3015A），工业级，合肥安利聚氨酯新材料有限公司；N,N-二甲基甲酰(DMF)，工业级（回收），安徽安利材料科技股份有限公司。

1.2 实验步骤

（1）复合材料（MCB/PU）的制备

按照比例称取MCB，加入DMF 溶液，搅拌均匀，超声分散10 min，然后加入聚氨酯树脂SW-3015A，机械搅拌均匀，然后边抽边快速搅拌，抽真空5 min 至真空度≤-0.5 bar。

（2）MCB/PU 合成革的制备

分别按照表1 进行配方配制：

表1 实验配方表

主要工艺流程：

图1 实验工艺流程图

1.3 测试和表征

电阻率测试，将材料裁制成1 cm×1 cm×0.6 mm方块形状，采用绝缘电阻测试仪测试其电阻率，测试温度为室温。

剥离强度测试，将测试材料裁成10 cm×3 cm 条状样条，与热熔胶对粘。粘接条件为130℃×30 s，冷却常温后，拉力机测试其剥离强度，拉力机移动速度为200 mm/min，每样平行测试3 次，取其平均值。

表面耐磨性能测试：将测试材料裁成直径为10 cm圆形样条，TABLE 耐磨100 转后，测试材料重量损失，计算其失重比，同时观察其表面破损情况，测试温度为室温。

失重比(c)=（磨损前质量（m0）-磨损后质量（m1））/磨损前质量（m0）

2 结果与讨论

2.1 MCB/PU 分散均匀性以及浆料稳定性

未经过改性的CB，在加入聚氨酯树脂浆料中时，打浆机搅拌后形成团聚现象，无法均匀分散。CB/PU0 和MCB/PU3 同时分别搅拌时，CB/PU0 中CB 在浆料表面形成团聚现象，无法分散，而MCB/PU3 可以很好地分散。这是由于CB 本身粒径较小，达到纳米级别，同时比表面积较大，分散困难，容易形成团聚现象。而活化后，改性的MCB 表面能明显下降，和聚氨酯浆料相互混合，分散均匀，形成稳定的浆料[4]。

2.2 MCB/PU 合成革的导电性分析

图2 不同样品的体积电阻率变化

表2 不同加入量的触屏效果

由图2 和表2 可以看出，改性后MCB/PU 合成革可以明显提高聚氨酯合成革的导电性能，当MCB 加入量达到10%时，体积电阻率1×106Ω·m，触屏效果灵敏度较高，可以较为灵活地触屏一般智能手机或者电脑平板，当将加入量进一步提高时，电阻率进一步降低，但是降低幅度明显下降。这是因为改性的MCB 与聚氨酯浆料均匀分散，经过凝聚烘干定型后，在基体中均匀分散，形成较为良好的导电通路[5]。但是，当MCB 含量进一步提高时，由于导电通路已经形成，再提高MCB 含量电阻降低有限，同时进一步提高含量时，触屏灵敏度提高不明显。

2.3 MCB/PU 合成革的剥离强度

图3 不同样品的体积电阻率变化

由图3 可以看出，加入不同MCB 量时，成革后的剥离强度变化为开始加入量较少时，剥离下降幅度较小，但是加入量高于10%时，剥离强度下降明显。这是因为开始加入量较小时，聚氨酯在凝聚后可以形成稳定均匀的孔型结构，形成较小、均匀的孔层结构，剥离孔层时，剥离强度较稳定，剥离强度较高。但是，随着MCB 加入量的提高，在聚氨酯凝聚过程中形成孔层时，MCB 作为聚氨酯的凝聚中心，加快了凝聚速度，形成较大的孔层结构，剥离就会明显降低[6]。

2.4 MCB/PU 合成革的耐磨性能

图4 不同样品的体积电阻率变化

由图4 和表3 可以看出，加入MCB 不同量时，成革后耐磨测试时表面变化，开始加入量较少时，耐磨性能较好，但是加入量高于10%时，磨损失重比提高较多。这是因为加入量较小时，聚氨酯在凝聚后可以形成稳定均匀的孔型结构，表面形成致密层结构，表面耐磨较好，磨损损失较少。但是，随着MCB 加入量的提高，加快了凝聚速度，在表面也会形成微小的孔层结构，在聚氨酯凝聚过程中表面致密性下降，同时表面也形成部分微孔结构，造成表面的耐磨性能明显下降。

3 结论

（1）十二烷基苯磺酸为基底可以明显活化改性导电碳黑，提高其与聚氨酯浆料的相容性能，提高分散性。

表3 不同加入量耐磨效果

（2）与常规PU 合成革相比，MCB/PU 合成革可以明显提高合成革的导电性能，当MCB 加入量为10%时，体积电阻率下降到1×106Ω·m，具有非常灵敏的触屏效果。

（3）随着MCB 加入量超过10%时，进一步提高，合成革的物性下降较为明显，特别是剥离和耐磨性能，需要综合考虑各方面的物性确定其加入量。