导电橡胶的制备与性能研究开题报告

20世纪70年代随着电子工业迅速发展，导电高分子材料和制品的需求和应用受到极大的重视，人们开始了导电高分子材料的研究。导电高分子材料按导电类型主要分为结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料。结构型导电高分子材料一般是通过结构导电或者掺杂其他原子增强导电性能，其结构或者掺杂的原子能够提供易定向移动的载流子和可供载流子在分子之间的传递通道，从而形成结构型导电高分子材料。例如通过碘蒸气氧化的聚乙炔薄膜，其导电率可提高10⁷倍之多，导电性能可与金属铜银相媲美。聚乙炔本身只具有半导体性质，通过碘的掺杂可使它的导电性发生质的飞跃。目前最常见的导电性高分子材料主要有以下几种：反、顺式聚乙烯，聚苯胺和聚吡咯等。这类材料合成条件比较苛刻，控制手段比较复杂，需通过对工艺试验条件的严格控制达到对微观分子结构的控制，以期得到预先设计的分子结构，例如控制聚乙烯顺、反式结构，合成此类导电高分子材料的成本高，而且合成过程副产品多，工业化生产较困难，结构型导电高分子材料最大的优点是可以通过掺杂程度控制导电高分子材料的导电性能。目前导电高分子材料室温下电导率可与铜的电导率相等，而且质量仅为铜的1/12，所以是目前非常有前途的一类新型功能材料。导电高分子材料有规整的分子结构，易结晶，有共轭结构的聚合物。复合型导电高分子材料主要通过聚合物与导电材料分散复合、层压复合以及形成表面导电膜等方式构成。其中分散复合型（或填充型）导电高分子材料是将导电填料以不同的方式和加工工艺均匀分散到聚合物基体中，利用高分子填料接触导电或形成导电通道而导电，导电橡胶就属于此类。复合型导电橡胶最显著的优点就是可设计性，通过选择适宜基胶、配合各种导电填料以及控制导电填料的用量可以制备出各种用途、不同导电性能的橡胶胶料。通过选择导电填料添加量以及不同的加工方法，可以制备体积电阻率为10^-3～10¹⁰ ·㎝范围内的导电橡胶。复合型导电高分子材料除具有良好导电性能外，还保留了聚合物的自身特性，它与结构型导电高分子材料相比制备工艺简单，价格便宜，适用范围广泛，并已研制出导电塑料、导电橡胶、导电腻子以及导电密封剂等已满足工业上的不同需求。

导电橡胶分为通用导电橡胶和高导电橡胶两大类，通用导电橡胶又可分为半导电性橡胶、防静电橡胶、导电橡胶等。国内外对通用型导电橡胶的研究已经非常成熟，导电橡胶的填料多采用乙炔炭黑、石墨、碳纤维、防静电剂或者其他导电填料等。在少量添加后就可达到导电性能的要求，制备简单。产品化的主要有导电硅橡胶和导电乙丙橡胶，广泛应用于电力行业，制造电缆附件等产品。而高导电橡胶材料国内外一般均采用硅橡胶和氟硅橡胶为基胶，研究工作集中在导电填料的研制以及导电填料与基胶的配合方面。早期制备高导电橡胶是采用银粉作为导电填料，试验表明银粉是优良的导电填料，但金属银价格昂贵密度较大，所以当前导电橡胶主要是研究新型的导电填料来代替银粉。为此国内外均采用粉末化学镀银技术制备高性能的导电颗粒，制备的导电颗粒不但具有银优异的导电性能，而且质量轻、氧化稳定性好。橡胶按导电性能可分为：电阻率10⁷～10¹⁰·㎝称为半导体橡胶，体积电阻率为10⁴～10⁷·㎝称为防静电橡胶，体积电阻率为10²～10⁴·㎝称为导电橡胶，体积电阻率为10^-3～10²·㎝称为高导电橡胶，对于不同类型的导电橡胶应采用不同的导电填料。虽然导电橡胶已经取得良好的发展，并已在许多领域中获得应用，但是其导电机理仍处于探索阶段。大多数导电橡胶胶料是在基胶中加入适量的导电颗粒制备的。对于大多数高分子材料，当一开始加入导电填料时，该材料的电导率仅略有上升，只有当导电填料浓度达到某一临界值或称为阀值时，聚合物的电导率突然增大，通常在一个很小填料范围内，电导率会有大幅度上升。目前导电橡胶的导电机理尚无明确定论，国内外比较流行的导电机理主要有导电通道学说和隧道效应学说。为了研究其导电机理，国内外许多学者通过电子显微镜对导电硅橡胶中的导电颗粒的分布进行了研究，通过观察电子显微镜照片，可以观察到在炭黑增强导电硅橡胶中的确有一层薄膜包裹导电炭黑聚集体，根据导电颗粒在硅橡胶基胶中的分布示意图以及Sheng等人的量子涨落隧道导电理论，在两种机理中起决定性作用的是隧道效应，体积电阻率与w同济之密切相关，w值越大导定性能越差，w值越小到电性能越好，其他一些学者认为导电性橡胶的导电机理更倾向于导电通道学说：当硅橡胶中只加入很少量的导电颗粒时，导电颗粒被橡胶分隔开且间距较大，因而呈现出绝缘性；当导电颗粒加入量逐渐增大时颗粒间的距离相应缩小，部分颗粒逐渐能够相互接触从而表现出一定的导电性；当用量继续增大至一定程度时即临界值，就会表现出良好的导电性，并认为是导电颗粒相互接触形成通路的结果。采用金属或者镀银导电颗粒填充的高导电橡胶的导电机理与乙炔炭黑填充机理是一致的，电导率变化也存在临界填充浓度。影响导电橡胶导电能力的因素有导电填料的特性及其在橡胶中的含量、生胶的种类和分子量、交联程度和其他填充剂以及操作工艺条件等。

本课题以花粉为模版制备纳米银作为导电颗粒制备导电橡胶。银具有良好的导电性和稳定性，而价格上又低于贵金属金和铂，因此成为常用的导电金属填料银粉外观呈暗灰色，具有良好的传导性，它的导电能力随着温度升高而降低，这是由它本身结构所决定的。银和其他金属能导电是因为金属晶体中的自由电子在很小的电位差影响下就能朝着一定方向形成电流。当温度升高时，晶格中点上的金属正离子的振动加强，自由电子在期间的移动就比较困难，因此导电能力降低。

导电橡胶主要应用于电子仪器开关触点、液晶显示及医疗保健器材等方面，随着电子工业与国防工业的发展，导电橡胶这一新型功能材料应用的范围越来越广范。此外导电橡胶既具有优良的导电性能，有保留了高分子材料的结构多样性、可加工性、密度小等多种优点，正好满足了现代科技对器件尺寸微型化的要求，特别适用于电子、光学、磁学等形状复杂的器件。美国、日本对聚合物基导电高分子材料的需求量每年以20％～30％的速度增长，发展潜力巨大；国内的需求也逐年增长，主要用于电磁屏蔽和触电材料，导电橡胶的产量和用途也在不断扩大。

本课题主要研究以纳米银作为导电颗粒制备导电橡胶。使用以花粉为模版，经超声分散后，经过银镜反应使银附在花粉上面形成纳米银，使用扫描电子显微镜对纳米银进行表征，同时考虑不同硝酸银用量以及反应时间对纳米银的影响；以纳米银为导电颗粒、天然橡胶为基胶制备导电橡胶，采用扫描电子显微镜观察导电颗粒在橡胶体系中的分散情况同时检测其导电性能以及力学性能，如拉伸强度和撕裂强度。

预期目标：制备具有一定导电性能的橡胶。

1花粉法制备纳米银：

1.1花粉的制备：

1.1.1 将花粉倒入研钵中，加入少量的无水乙醇将花粉润湿，然后将花粉研成小颗粒，成浆糊状态；

1.1.2 将花粉倒入小烧杯中加入乙醇，乙醇与花粉的体积比为2：1，然后将烧杯放入超声清洗机中30分钟；

1.1.3 将烧杯取出，澄清后将有颜色的乙醇倒掉，再用乙醇清洗花粉4~5次直至加入的乙醇颜色较浅；

1.1.4 将烧杯放入烘箱中在60℃以下烘干，烘干过程中需搅拌直至花粉干燥呈松散状态，然后称重。

1.2 纳米银的制备：

1.2.1 将花粉溶于蒸馏水中，在超声机中搅拌然后静置；

1.2.2 向花粉溶液中加入硝酸银，然后在超声机中搅拌；

1.2.3 滴加稀释过的氨水，边滴加边搅拌；

1.2.4 将溶液转移到三口烧瓶中使用恒压漏斗缓慢滴加稀释的甲醛溶液，边滴加边搅拌；

1.2.5 将三口烧瓶放在恒温水浴锅中60℃反映30分钟；

1.2.6 使用离心机离心，然后先后用蒸馏水和乙醇洗涤2~3遍；

1.2.7 将固体在50℃下烘干。

2 导电橡胶的制备：

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1、第1～3周（2022-02-21～2022-03-11）：查阅文献资料，完成开题报告。查阅中外文献资料，综述国内外研究现状和发展趋势等，并进行外文资料翻译。

2、第4～9周（2022-03-14～2022-04-22）：制备花粉，以花粉为模版制备纳米银，使用扫描电子显微镜对纳米银进行表征，同时探索硝酸银的用量以及反应时间对纳米银的影响。

3、第10～15周（2022-04-25～2022-06-03）：以纳米银为导电颗粒制备导电橡胶，使用扫描电子显微镜观察导电颗粒在导电橡胶体系中的分布情况，同时检测导电橡胶的导电性能及力学性能。

4、第16周（2022-06-06～2022-06-12）：分析总结实验，讨论综合结果，撰写毕业论文。完成毕业论文材料打印和整理。

5、第17周（2022-06-13～2022-06-19）：答辩。