导电塑料应用广泛，作为一种抗静电、电磁屏蔽材料，已大量应用于半导体、计算机、通信电缆，煤矿，石油化工以及汽车等领域。根据其导电机理不同，导电塑料分为本征型导电塑料和填充型导电塑料。本征型导电塑料是指高分子自身或经过掺杂之后具有导电能力的塑料；填充型导电塑料本身不具有导电能力，经过与导电填料复合加工之后而具备导电能力，目前，90%以上的导电塑料为填充型导电塑料。
导电填料一般可选择金属填料、碳材料或金属与碳材料的复合材料：金属填料包括金属纤维、金属片等；碳材料则有导电炭黑、碳纤维、导电石墨，碳纳米管以及石墨烯等；金属与碳材料的复合材料有镀镍碳纤维，银包炭黑以及镍包炭黑等。金属填料存在密度大、价格贵、难加工、易腐蚀等缺点。
导电炭黑
在导电塑料中，导电填料一般以碳材料为主，目前导电炭黑与碳纤维为其中用量最大的两种，但是导电炭黑含量过高会降低塑料的力学性能，含量低又达不到导电的效果，而碳纤维材料价格高昂且高端材料基本依赖进口。碳纳米管(CNT)与传统导电填料导电炭黑相比，在电性能和力学性能方面优势明显，在导电塑料中的添加量仅为炭黑的三分之一到五分之一。并且，随着CNT的制备规模扩大与成本降低，将对CNT在导电塑料中的应用产生显著利好。
CNT作为一种长径比大的一维纳米材料，在导电塑料中容易形成导电网络，将CNT与塑料进行复合制备导电/抗静电塑料的研究工作已有诸多报道，但CNT自身特性对导电塑料性能影响的研究还较少。本文选取五种CNT[三种多壁碳纳米管(MWCNT)、一种多壁碳纳米管阵列(A-MWCNT)以及一种单壁碳纳米管(SWCNT)]与PC进行复合制备导电塑料，研究CNT长径比、比表面积对PC导电性能和加工性能的影响，CNT含量对PC导电及加工性能影响，并制备CNT与PC的导电塑料母粒，以导电塑料母粒制备导电塑料，为CNT在导电塑料中规模化应用打下基础。
1.不同长径比及比表面积CNT对PC导电塑料导电及加工性能的影响。
将MWCNT，A-MWCNT及SWCNT分别与PC在转矩流变仪中于250℃进行密炼，添加CNTs质量分数为10%，聚氧化烯基类分散剂质量分数为2%，CaCO3质量分数为1%，研究不同长径比及比表面积CNT对导电塑料导电和加工性能的影响，结果见表1。
由表1可知，随着CNT长径比与比表面积的增加，CNT与PC在转矩流变仪中的平衡扭矩增大。平衡扭矩直接反映材料的加工难易程度，平衡扭矩越大，说明CNT在PC中越难以分散。
MWCNT(MCN3101)的长径比最小，比表面积亦最小，在PC中分散较为容易，其平衡扭矩最小；而SWCNT的长径比最大，比表面积亦最高，SWCNT在PC中容易缠结难以打开，加工最困难。
在比表面积接近的情况下，长径比对加工有较大影响，长径比越大，CNT之间越容易缠结，加工时平衡扭矩越大，例如：MWCNT(MCN2101)的比表面积略大于MWCNT(MCN1101)，其长径比小于MWCNT(MCN1101)，但其平衡扭矩小于MWCNT(MCN1101)。导电填料的形态，尤其是长径比对复合型导电塑料的导电性能有显著的影响。
导电填料的长径比越大，其导电性能越好。当MWCNT，A-MWCNT与PC复合时，随着CNT长径比的增加，CNT与PC复合的导电塑料体积电阻率越低；而SWCNT则因其长径比过大、表面能高而导致团聚缠结严重，在PC中难以分散，导致导电塑料的导电性能下降，体积电阻率反而高于与PC复合的MWCNT(MCN2101)。
由图1可看到五种CNT在PC中的分散情况，MWCNT(MCN1101)，MWCNT(MCN2101)，MWCNT(MCN3101)及A-MWCNT在PC中明显可见，CNT之间搭接紧密，但存在可见团聚现象，部分MWCNT(MCN3101)及A-MWCNT被PC包埋不可见；MWCNT(MCN1101)及A-MWCNT的平均管长较长，可见CNT中有部分贯穿多个区域，有助于提高材料的导电能力；MWCNT(MCN2101)及MWCNT(MCN3101)的平均管长较短，会导致CNT接触电阻较大；SWCNT在PC中明显可见，平均管长较长，但SWCNT之间相互缠绕严重，不利于SWCNT导电性能的发挥。
■ A-MWCNT质量分数对PC导电及加工性能的影响
不加入任何分散剂与助剂，将不同质量分数A-MWCNT直接与PC在转矩流变仪中于250℃进行密炼，不同质量分数A-MWCNT的PC导电塑料的体积电阻率及平衡扭矩如图2所示。
由图2可知，随着A-MWCNT在PC中质量分数的增加，A-MWCNT与PC复合的导电塑料的体积电阻率逐渐下降，当A-MWCNT添加质量分数为1%时达到导电渗滤阈值，材料从绝缘达到导电级别，A-MWCNT添加质量分数达到5%时，电阻率下降逐渐平缓；随着A-MWCNT添加量的逐渐增加，平衡扭矩逐渐增大，当A-MWCNT添加质量分数为10%时，平衡扭矩达到72.3N·m，加工难度加大，且体积电阻率在添加质量分数为15%时已无明显增益。
由于A-MWCNT的高长径比，与传统颗粒导电材料导电炭黑相比，在低添加量下更容易在PC中形成导电网络：当在PC中添加质量分数为5%的导电炭黑时，材料的体积电阻率高达8.516×1015Ω·cm，平衡扭矩为36.5N·m，而添加质量分数1%的A-MWCNT(仅为导电炭黑五分之一)时，材料的体积电阻率仅为16.0Ω·cm，平衡扭矩为37.4N·m，说明A-MWCNT相比于传统导电炭黑，在导电塑料领域无论是从成本还是性能上更具有优势，且不增加加工难度。
将质量分数10%的A-MWCNT，20%的聚氧化烯基类分散剂及10%的CaCO3与PC在转矩流变仪中于250℃进行密炼，制备A-MWCNT导电塑料母粒，然后将导电塑料母粒与PC按质量比1∶9进行密炼，压制成片，制备A-MWCNT质量分数为1%的导电塑料试样，测试其性能，同时在PC中直接混合质量分数1%的A-MWCNT，2%的聚氧化烯基类分散剂及1%的CaCO3，制备导电塑料试样，测试其性能，结果见表2。
由表2可知，将A-MWCNT通过母粒的形式加入到PC中制备PC导电塑料，不仅避免了加工过程中粉尘飘扬的问题，还更容易分散加工，平衡扭矩降低25%，A-MWCNT的分散性更好，其体积电阻率降低48.5%，拉伸强度和缺口冲击强度亦有不同程度提升。
碳纳米管导电母粒
综上，CNT长径比越大，其导电性能越好，但加工难度越大，当长径比过大时，CNT在PC基体中难以分散，导致导电塑料的体积电阻率反而下降；CNT的添加量对导电塑料导电和加工性能的影响也较大，添加量越多，导电塑料的导电性能越好，但加工难度越大，且当CNT添加质量分数为15%时，体积电阻率下降已不明显，且加工困难。
由于CNT的长径比大，其导电性能远超导电炭黑，添加量更少，无论是成本还是性能CNT均更具优势。将制备的A-MWCNT导电塑料母粒添加到PC中制备导电塑料，较直接混合制备导电塑料，其体积电阻率降低48.5%，平衡扭矩降低25%，且力学性能损失较少，避免了直接添加CNT造成的粉尘飘扬问题，为CNT塑料母粒的应用提供了理论基础。
参考资料：碳纳米管对聚碳酸酯导电及加工性能的影响，叶恩洲，互联网资料
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：碳纳米管（CNT）对PC导电及加工性能的影响
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