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热敏导电材料(即正温度系数材料,PTC)作为一种典型的功能材料,在能源、电子等领域得到了广泛的应用。目前大多数学者在PTC材料方面的研究工作,主要集中于配方的选择,而对复合材料制备过程中涉及到的混炼工艺则鲜有提及。本文从PTC复合材料的混炼工艺过程着手,运用双转子连续混炼机对PTC复合材料进行了制备,对影响PTC复合材料性能的因素进行了分析、研究,并利用有限元软件POLYFLOW对复合材料制备过程的流场特性、操作工艺参数与转子结构对流场特性的影响进行了分析,主要得到以下几点结论:
1、双转子连续混炼机的混炼段具有很强的分散、分布混合效果。螺棱交汇区存在由推进螺棱与返混螺棱共同作用所形成的高压区;物料在螺棱的顶部受到最大的剪切应力;且在整个混炼段中,70%的区域物料受到的是剪切与拉伸的共同作用。
2、混炼机转速的增加有利于提高炭黑粒子在聚合物基体中的分散、分布混合效果;但是过大的剪切应力将破坏炭黑粒子的表面特性,使炭黑粒子进入聚合物晶体内部而降低形成导电通路的炭黑数量。当在转速700~800rpm时,复合材料的电阻率将会出现突增。复合材料的PTC效应则随着混炼机转速的增加而增强。因此,合适的转子转速对于PTC复合材料的制备是非常重要的。
3、对于“饥饿”进料的双转子连续混炼机而言,随着喂料量的增加,熔体在混炼段内的停留时间以及物料所受的比剪切应力将会下降,导致设备对复合材料的分布混合作用减低,不利于炭黑粒子的分散;相应地,增加了复合材料的室温电阻率。因此,对于一定的转子转速,合适的喂料量对制备PTC复合材料是非常重要的。
4、在复合材料的退火处理过程中,热处理温度对复合材料的导电特性有很大影响。当热处理温度低于聚合物基体材料的熔点温度时,基体材料对炭黑粒子的阻隔作用较为显著,抑制炭黑粒子的迁移,热处理前后复合材料的导电特性变化较小;高于聚合物的熔点时,基体材料对炭黑粒子的阻隔作用较小,炭黑粒子的迁移活动更加明显,因此热处理前后复合材料的导电特性变化较大。