Page 113 - 《精细化工》2023年第3期

第 3 期 郑 玲，等: 3D 打印炭黑/水性聚氨酯导电复合材料的制备及性能 ·569·

KH550/CB 含量增加，KH550/CB 粒子之间的距离逐 WPU 3 种材料的热失重曲线。如图 6 所示，添加了
渐减小，KH550/CB 粒子形成的微小团聚体之间能 CB 作为填料的复合材料的热降解温度与纯 WPU 相
够相互接触。所以，当 KH550/CB 含量为 3%时， 比都有明显提高。当失重率为 80%时，纯 WPU 的
KH550/CB 3 /WPU 复合材料的导电性最好。 热失重温度为 403.5 ℃，CB 3 /WPU 的热失重温度为
452.7 ℃，提升了 49.2 ℃；而 KH550/CB 3 /WPU 的
表 2 不同 CB 含量和不同 KH550/CB 含量下制得复合材 热失重温度为 468.6 ℃，提高了 65.1 ℃，证明 CB
料 CB/WPU 和 KH550/CB/WPU 的导电性能 的加入可以明显提高 WPU 的耐热性能。这是由于
Table 2 Conductive properties of CB/WPU and KH550/
CB/WPU composites with different CB content CB 的加入在 WPU 基体中形成了逾渗网络，阻止了
and KH550/CB content 小分子的溢出 [29] 。而 KH550/CB 3 /WPU 复合材料的
填料 CB/WPU KH550/CB/WPU 耐热性也略好于 CB 3 /WPU 复合材料，这是由于偶联
含量/ 体积电阻 电导率/ 体积电阻 电导率/ 剂 KH550 中的丙氨基与 WPU 基体生成共价键，将
% 率/(Ω·m) (S/m) 率/(Ω·m) (S/m) CB 与 WPU 偶联起来，使得改性后的 CB/WPU 热稳
0 2.09×10 9 4.78×10 –10 2.09×10 9 4.78×10 –10 定性更好。
0.5 1.54×10 7 6.49×10 –8 3.59×10 8 2.79×10 –9
1.0 1.39×10 5 7.19×10 –6 6.62×10 4 1.51×10 –5
2.0 1.60×10 4 6.25×10 –5 1.37×10 3 7.29×10 –4
3.0 8.61×10 3 1.16×10 –4 5.59×10 2 1.79×10 –3

图 5 为复合材料电导率随填料含量变化示意
图。可以看到，复合材料电导率随填料含量的增加
而呈现上升趋势，当填料在基体的含量较低时，基
体内几乎不可能存在导电通路；当填料在基体的含
量足够多时，导电填料粒子的间距变小，CB 粒子之
间距离足够接近或者相互接触时，可通过隧道效应或
图 6 WPU、CB 3 /WPU 和 KH550/CB 3 /WPU 的 TG 曲线
者电子的跃迁形成导电通路，电子便能够在整个材料内 Fig. 6 TG curves of WPU, CB 3 /WPU and KH550/CB 3 /WPU
部进行传导，因而复合材料的电导率急剧升高 [26-28] 。
可以认为，CB/WPU 复合材料的逾渗阈值为电导率 2.3 KH550/CB/WPU 导电复合材料的结构分析
发生突变的区域所对应 CB 的含量，所以逾阈值所 图 7 是纯 WPU、KH550/CB/WPU 的 SEM 图。
对应的区间为“0.5%~2.0%”。当 CB 的含量超过逾 由图 7a 可以看到，纯 WPU 的断面没有粒子存在，
渗阈值之后，复合材料的电导率增加得相对缓慢。 比较光滑平整。图 7b 是 KH550 改性 CB 含量为 0.5%
这是因为导电网络形成后，CB 的含量增加只是能够 时复合膜断面的 SEM 图，可以看到，CB 分散在
一定程度增大导电网络的密度，故电导率的提升幅 WPU 中，断面依旧较为光滑平整，粒子含量较少与
度有限。 树脂几乎没有结合。当 KH550/CB 含量增加到 1%
（图 7c）时，KH550 明显改善了 CB 与 WPU 的相
容性，使得 CB 的分散性变好，出现了界面过渡层，
有利于提高复合材料的导电性。图 7d 是 KH550/CB
含量为 2%时 KH550/CB/WPU 复合材料断面的 SEM
图，图 7d 中出现了更多的界面过渡层，看不到 CB
团聚的现象，说明此含量对复合材料导电性能的提
高是有效的，CB 与 WPU 仍然表现出很好的相容性。
从 KH550/CB 含量为 3%时 KH550/CB/WPU 复合材
料断面的 SEM 图（图 7e）可以发现，KH550 改性
的填料分布在 WPU 基体中更加均匀，断面较为平
滑。综上可知，KH550 大大改善了 CB 的分散性，

图 5 复合材料电导率随填料含量的变化示意图 使得 KH550/CB 在 WPU 基体中能够很好地分散。
Fig. 5 Schematic diagram of composite conductivity as a 2.4 3D 打印 KH550/CB/WPU 复合材料的成型及
function of filled content
电性能研究
图 6 分别为纯 WPU、CB 3 /WPU、KH550/CB 3 / 结合上述分析，选用 KH550/CB 含量为 3%来进