全 文 ： 第 vz卷 第 t期u s s t年 t 月
林 业 科 学
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导电功能木质复合板材的渗滤阈值
傅 峰tl 吕 斌vl 王志同wl
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tss|tl
华毓坤ul
k南京林业大学木材工业学院 南京 utssvzl
摘 要 } 通过导电单元掺杂粘合单元并叠层复合木质单元研究了导电功能木质复合板材的渗滤阈值 ∀结
果表明 o形成渗滤效应时的阈值为 { h ∗ tw h o对应的导电单元施加量和填充量分别约为 tw h ∗ ux h和 tu h
∗ us h ~形成渗滤效应之后 o导电功能的均匀性较好 ∀此外 o相关机理和量化关系还有待于深入研究 ∀
关键词 } 渗滤阈值 ~导电功能 ~木质复合板材
收稿日期 }t|||2tu2vs ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目k批准号 v|yzsx|ul ∀
ΠΕΡΧΟΛΑΤΙΟΝ ΤΗΡΕΣΗΟΛ∆ ΟΦ ΕΛΕΧΤΡΙΧΑΛΛΨ ΧΟΝ∆ΥΧΤΙς Ε
ΦΥΝΧΤΙΟΝ ΙΝ ΩΟΟ∆2ΒΑΣΕ∆ ΧΟΜΠΟΣΙΤΕ ΠΑΝΕΛΣ
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Κεψ ωορδσ: ° µ¨¦²¯¤·¬²±·«µ¨¶«²¯§o ∞¯ ¦¨·µ¬¦¤¯ ¼¯ ¦²±§∏¦·¬√¨©∏±¦·¬²±o • ²²§2¥¤¶¨§¦²°³²¶¬·¨ ³¤±¨ ¶¯
木质复合板材是由天然高分子组成的木质单元k单板 !刨花 !纤维等l与人工高分子构成的粘合单
元k脲醛树脂 !酚醛树脂等l o通过一定的复合方式制得的板状材料kŽ¤­¬·¤ot||sl o国内习惯上称人造
板 ∀标准室内状态下k温度 us ε ? u ε o湿度 yx h ? x h l o由于木质和粘合单元的体积电阻率分别为
ts| ∗ tstu和 tstu ∗ tstv 8#¦° o故复合后的板材属绝缘体范畴k  ¤¯²±¨ ¼ ot||sl ∀从复合材料的角度讲 o
导电材料是使一般的电绝缘材料具有良好的传导电流性能的功能k章明秋等 ot||tl ∀因此 o改变木质
复合板材的天然绝缘性 o赋予其导电功能 o是木质材料在物理学上实现电功能型新应用的基本前提 ∀
均布掺杂和叠层复合是导电复合材料领域内基本的复合方式k宋 波 ot|{{l ∀在木质复合板材
中 o单板是最大体积的木质单元 o具有最小的比表面积 o故可以用较少量的导电单页掺杂粘合树脂 o并
叠层复合木质单板 o利用复合效应实现单板之间的胶层导电 o使板材呈现宏观上的导电功能 ∀导电复
合材料的理论介绍 o导电性并不随着导电单元的增加而成比例的增高 o只有当填充率超过一定份额时 o
体系的电阻率才急骤下降 o这一现象称为渗滤效应k‹¶∏ot|{{l o通俗地可理解为−开关. 或−门槛. 效应
k陈保祥 ot||vl o而形成渗滤效应时导电单元狭窄的临界体积填充份数被定义为渗滤阈值k曾汉民等 o
t||vl ∀本研究以导电单元掺杂粘合树脂制成的单板类木质复合板材为研究对象 o目的是探索和确定
形成渗滤效应而具有导电功能时的渗滤阈值 ∀
t 材料和方法
111 实验材料
木质单元 o杨木边材单板 o幅面 vx¦° ≅ vx¦° o厚度 t1{ ? s1v °° o含水率 x h ∗ { h ∀导电单元 o微
米级 o³‹ 值 y ∗ z ∀粘合单元 o脲醛树脂胶 o固含量 ys1vu h o³‹ 值 y1x o粘度 vss °°¤#¶rus ε ∀选狭长
紫铜箔为电极 o经砂除表面氧化层以及氯化铁和浓硝酸配置的溶液处理后 o穿布预埋于用做表板k面板
和背板l的单板内侧 o两平行电极长 vs¦° o间距 vs¦° ∀
112 制板工艺
脲胶经一定混炼的工艺调入规定量的导电单元以及适量的导电液 o助剂 !稀释剂和固化剂等 o涂布
于平整 !无透隙的芯板两侧k避免透电l o再垂直组配两张预埋电极的表板 ∀板坯经闭合陈化后置于衬
垫间送入压机 o在压板温度 tts ε ∗ tus ε !单位压力 s1{s ∗ t1us  °¤和加压时间 y ? u °¬±的常规工
艺下 o压制 v层结构的 !具有导电功能的木质复合板材 ∀全部实验重复 t次 ∀
113 测试方法
测试木质复合板材的电阻率及其分布的均匀性 o然后分析数据随导电单元百分率的变化趋势 o以
确定导电功能的渗滤阈值 ∀根据板材的结构 o可以认为相间的胶层与单板呈电路中的并联模型 ∀由于
实验中所测单板的电阻大于 ts{ 8 o而两外露电极间的电阻小于 tsz 8 数量级 o所以电极间的电阻源于胶
层 ∀由此以伏安法测定表板两外露电极间的绝对电阻 • o根据电极长 λ€ vs¦° o间距 β € vs¦° o由面积
电阻率的定义k何曼君等 ot|{ul o带入实验中的数据可推算出木质复合板材的电阻率 Θσ与绝对电阻 Ρ
相等 ,即 : Θσ = Ρ # λ/ β = Ρ( 8)
电阻率分布的均匀性以两种方法测试 :一是样本电阻率的变异系数 ,显然变异系数越小 ,均匀性越
好 ;另一是板材电热性能的温度极差 ,即将板材水平置于 v点针状支座上 ,以计算功率 vs Ω对所有板
材面 !背板上的裸露电极分别通电加热 ,待温度恒定后以多点热电偶测定表板电极间 vs χµ ≅ vs χµ !
呈网格均布 ux点的表面温度 ,该温度群的最大温差即温度极差 ∀显然该极差越小 ,电阻率分布的也较
均匀 ∀
u 结果与分析
表 t列出了导电功能木质复合板材的实验结果 ∀其中施加量为导电单元与固体胶的重量百分比 ,
这与木材工业惯用的固化剂施加量和施蜡量等概念类同 ,便于实际操作 ∀填充率和填充量分别为导电
单元的份数占胶液混炼热压固化后总份数的体积和质量百分比 ,由导电单元的施加量和粒度 !脲胶的
固含量以及 u者的密度推算得出 ∀ ≤√为电阻率的变异系数 ∀依表中数值作图 t和图 u以进一步分析 ∀
211 电阻率
图 t显示了电阻率的常用对数值随施加量 !填充率和填充量 v个百分率变化的趋势 ∀由施加量和
电阻率的数值可知 ,在 tv% ∗ yy%的实验范围内 ,随着施加量的增加电阻率呈下降趋势 ,板材导电功能
得以改善 ∀施加量 tv%时电阻率超过兆欧级 ;施加量由 tw%增至 ux%时电阻率下降较快 ,由兆欧级陡
降至千欧级而进入导体范围 ;施加量由 ux%增至 yy%时 ,电阻率基本在千欧级以下的范围内 ,且施加
量大于 xs%时 ,电阻率基本稳定在 ts 8 级上 ∀
值得说明的是 ,施加量 !填充率和填充量 v者所对应的电阻率变化趋势之间 ,施加量与电阻率的趋
势较为平缓 ,这无疑给工艺上控制木质复合板材导电功能的电阻率带来了便利条件 ∀施加量在 ux%至
xs%的较大范围之间变化时 ,电阻率只在较小的千欧级范围以内 ,因此易于以不同量的导电单元来控
制千欧级以下不同的电阻率 ,这有待于安排一定的实验 ,以一定的数学模型进一步研究导电功能的量
化关系 ∀
212 渗滤阈值
从表 t和图 t可以看出 ,在 z% ∗ u{%的实验范围内 ,随着填充率的增加 ,板材导电功能得以改善 ,
电阻率呈下降趋势 ,且随填充率的电阻率下降趋势比施加量和填充量 u者对应的趋势要陡 ∀渗滤阈值
是形成导电渗滤效应时导电单元狭窄的临界体积填充份数 ,因为体积填充率比施加量和填充量更能确
切地反映热压后胶层中导电单元的相态 , 所以只有通过实验中的填充率与板材电阻率的关系来确定渗
{tt 林 业 科 学 vz卷
表 1 实验结果统计 ≠
Ταβ .1 στατιστιχσ οφ εξπεριµενταλρεσυλτσ
序号
‘²q
施加量
≥³µ¨¤§¬±ª
¦²±·¨±·k h l
填充率
∂ ²¯∏° 2¨©¬¯¯¬±ª
¦²±·¨±·k h l
填充量
ƒ¬¯¯¬±ª¦²±·¨±·k h l
电阻率 Θ¶
• ¶¨¬¶·¬√¬·¼
均值
 ¤¨±k8l
对数值
²¯ªk  ¤¨±l
变异系数
≤²¨ ©©¬¦¬¨±·²©
√¤µ¬¤¥¬¯¬·¼k h l
板面 ux点温度极差
ר°³qµ¤±ª¨ ²©ux ³²¬±·¶
²± ³¤±¨ ¯¶∏µ©¤¦¨ k ε l
t tv1sz z1ww tt1xy vv{ssss y1xu| xx1| r
u tw1{y |1tw tu1|w zszsss x1{w| wu1w r
v t{1x{ tt1wu tx1yz uszss w1vty vw1s r
w ut1uu tt1xw tz1xt tswxs w1st| uz1{ r
x uy1{v tw1ty ut1tx uvss v1vyu us1z ty1{
y vx1vz tz1{y uy1tv txt1| u1t{u tx1t tx1s
z v{1tv t{1|| uz1ys tty1| u1sy{ tu1{ tu1w
{ v|1z| t|1yx u{1wy ww1ts t1yww ty1w tu1{
| w|1zv uv1wt vv1uu ty1uu t1uts tv1| tt1z
ts xz1y{ uy1t{ vy1x{ tt1xs t1syt tv1y tt1x
tt yx1{{ u{1{v v|1zu tw1ss t1twy ty1s ts1u
tu yy1vt u{1|y v|1{z tt1wx t1sx| tu1s tt1x
≠ −r.表示由于电阻较高 o无法以 vs • 计算额定功率施加高电压 o所以未能测试 ∀
−r. Œ±§¬¦¤·¨¶·«¤·³¤±¨ ¯¶¤°³¯ ¶¨ º µ¨¨ ±²·° ¤¨¶∏µ¨§·² ¥¨ ¤³³¯¬¨§ º¬·««¬ª«√²¯·¤ª¨ ¥¤¶¨§²±·«¨ ³²º µ¨kvs • l ¤±§«¬ª«µ¨¶¬¶·¤±¦¨¶q
图 t 电阻率的变化趋势
ƒ¬ªqt ×µ¨±§¶²©¨¯ ¦¨·µ¬¦¤¯ µ¨¶¬¶·¬√¬·¼
) σ ) 变异系数 Χϖ~ ) υ ) 板面温差 × °¨³qµ¤±ª¨ q
图 u 电阻率的均匀性
ƒ¬ªqu ˜±¬©²µ°¬·¼ ²©¨¯ ¦¨·µ¬¦¤¯ µ¨¶¬¶·¬√¬·¼
) σ ) 施加量 ≥³µ¨¤§¬±ª¦²±·¨±·~ ) υ ) 填充率 ∂ ²¯∏° 2¨©¬¯¯¬±ª¦²±·¨±·~ ) π ) 填充量 ƒ¬¯¯¬±ª¦²±·¨±·q
滤阈值的范围 ∀与施加量和电阻率的关系相对应 o实验范围内填充率为 z h时电阻率高达兆欧级 ~填充
率由 { h增至 tw h时电阻率下降较快 o由兆欧级陡降至千欧级而进入导体范围 ~填充率由 tw h增至
u{ h时 o电阻率基本在千欧级以下的范围内 o且填充率大于 uv h时 o电阻率基本稳定在 ts欧级上 ∀由
|tt 第 t期 傅 峰等 }导电功能木质复合板材的渗滤阈值
此可见 o填充率在 { h ∗ tw h的范围内 o电阻率下降的最为急骤 o因此可以认为渗滤阈值约为 { h ∗
tw h o而分别与其对应的施加量和填充量约为 tw h ∗ ux h和 tu h ∗ us h ∀
实验所得渗滤阈值或相应的施加量和填充量的结果与相关高聚物复合材料领域内的研究结果较
为相近 ∀有研究表明 }导电聚合物复合材料的渗滤阈值为 x h ∗ ux h k‹¶∏ot|{{l o形成渗滤效应时的
填充量在 tx h ∗ us h k景志坤 ot||wl o其中以导电单元填充于橡胶或塑料绝缘基体中的阈值为 z h ∗
tx h o此时电阻率呈较大数量级的下降k…∏¨¦«¨ ot|zul ∀复合工艺对渗滤阈值也有较大的影响 o模压 !
压延 !吹塑 !挤出等相比 otys ε ∗ tzs ε 时以 tx  °¤模压的导电塑料的阈值较小k马敏生等 ot||ul o而
uvs ε 时以 x  °¤压延的导电膜的阈值仅为 y qw h k∞½´ ∏¨µµ¤ot|{yl o这对深入研究压制导电功能的木
质复合板材具有借鉴和参考价值 ∀上述阈值结果可以从导电复合材料涉及的复杂机理得以初步解释 ∀
填充率未达到阈值时 o较少的导电单元只形成部分连续相 o因此电阻率较高 ~而达到阈值时 o导电单元
相互接触形成连续相网络 o因此电阻率急骤降低k曾汉民等 ot||vl ∀但是 o深入的导电机理还有待于从
量子理论的角度研究 ∀
213 均匀性
借图 u的电阻率变异系数和板面温度极差随填充率变化的趋势 o可分析导电功能的均匀性 ∀显
然 o随着填充率的增加 o变异系数和温度极差呈下降趋势 ∀填充率小于渗滤阈值上限 tw h时 o变异系数
由 xy h陡降至 us h o表明均匀性得以显著改善 ~而填充率超过阈值时 o变异系数和温度极差下降较缓
慢 o分别在 us h ∗ tu h和 tz ε ∗ ts ε 内 o表明此时电阻率的均匀性较好 ∀相关领域内有关电阻率均匀
性的研究较为少见 o但仍可从机理方面初步分析 ∀填充率较低时 o部分连续相的导电单元导致电阻率
的变异性较大 ~而超过阈值时 o连续相的导电单元导致导电区域内电阻率的变异性较小 o均匀性较好 ∀
v 结论及建议
导电单元掺杂粘合单元并叠层复合木质单元构成的导电功能木质复合板材的渗滤阈值为 { h ∗
tw h o对应的导电单元施加量和填充量分别约为 tw h ∗ ux h和 tu h ∗ us h ∀随着导电单元的增加 o板
材的导电功能及其均匀性都得以改善 ~导电单元填充率小于渗滤阈值时 o导电功能的均匀性较差 ~超过
阈值后的均匀性较好 ∀木质复合板材导电功能的机理 o以及形成渗滤效应后导电功能与导电单元施加
量之间的量化关系 o都有待于进一步研究 ∀
参 考 文 献
陈保祥 q导电聚合物复合材料的发展 q工程塑料应用 ot||v outkwl }xs ∗ xw
曾汉民 o章明秋 q导电高分子复合材料 q见5高技术新材料要览6编辑委员会编 q高技术新材料要览 q北京 }中国科学技术出版社 ot||v oxxx
∗ xx{
何曼君等编 q高分子物理 q上海 }复旦大学出版社 ot|{u ou{y ∗ u{z
景志坤 q炭黑在塑料k橡胶l中的应用 q塑料科技 ot||w oktl }tw ∗ tz
马敏生等 q加工工艺对导电塑料制品电性能的影响 q现代塑料加工应用 ot||u okxl }t ∗ w
宋 波 q导电聚合物的现状和开发前景 q高分子材料科学和工程 ot|{{ owkul }y ∗ ts
章明秋 o曾汉民 q导电性高分子复合材料 q工程塑料应用 qt||t ot|kul }xs ∗ xx
…∏¨¦«¨ ƒ q∞¯ ¦¨·µ¬¦¤¯ µ¨¶¬¶·¬√¬·¼ ²©¦²±§∏¦·¬±ª³¤µ·¬¦¯ ¶¨¬± ¤±¬±¶∏¯¤·¬±ª °¤·µ¬¬qq„³³¯ q°«¼¶qot|zu owvkttl }w{vz ∗ w{v{
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