一种铅基复合型高分子导电材料金属含量的测定方法

2023-07-26张博洋尚宇鹏史杰

橡塑资源利用 2023年2期

张博洋尚宇鹏史杰

张博洋1尚宇鹏2史杰2

（1 驻青岛地区第二军事代表室，山东青岛，266000）（2 淄博火炬能源有限责任公司，山东淄博，255000）

含有铅金属的铅基导电塑胶材料因其具有良好的导电能力，在精密仪器与精密电子元件领域有着广泛的应用。作为导电塑胶材料的重要功能性组分，金属粒子的分散程度与含量决定了导电塑胶材料的导电性能与机械强度。本研究形成一种对含铁与含铅的导电高分子材料进行金属分散均匀度以及金属含量的测定方法，并应用于测定聚乙烯基导电高分子材料相关性能。

复合型高分子导电材料；金属分散均匀度；金属含量；测定方法

1 绪论

随着社会的进步和科技的不断发展，各个行业对高性能材料的需求随之增大。高分子材料由于具有相对易于加工的优点，可根据实际需要通过调整聚合物种类与分子量来改变材料整体性状，并且普遍具有较好的韧性与拉伸强度，从而在电气、机械与化工领域有着广泛的应用。但是随着现阶段各项高新技术的研发与应用，对于高分子材料有着更高的各项要求，使得复合型导电高分子材料渐渐受到人们更多的关注[1,2]。

高分子材料普遍具有绝缘性，在特定环境下，其表面易于积累静电电荷且无法释放，进而形成静电压。在静电的作用下高分子材料表面会吸附灰尘，由于静电的吸引，这些灰尘常常难以去除；另一方面，静电电压积累到一定程度后，会发生静电放电与击穿现象，进而对材料本身造成损害，在精密仪器与精密电子元件领域影响较大[3]。同时，在需要接触易燃易爆气体的行业，静电积累到一定程度可能会将工作环境的易燃易爆气体引燃，对工作人员的生命安全以及财产安全带来极大损害。复合型高分子导电材料制作工艺简单，成本较低，本身可以通过将产生的静电及时引出，避免静电在材料表面积累来解决上述问题，是精密电子行业常用的材料[4]。

对于导电高分子复合材料，其中金属组分在高分子基中的含量与分散程度决定了复合材料的整体性能。一般来说，金属填料用量比越大，复合材料的导电性越好，但整体密度也会相应增加；在金属用量一定的情况下，金属分散程度越好，材料各个部分电阻差异越小，这会提升整体复合材料的导电性[5]。因此，对金属组分的含量与分散程度的准确测定就显得尤为关键。

本研究以热压自制掺杂金属铅粉的聚乙烯基复合型高分子导电材料为研究对象，针对性设定了对复合材料各项指标测定试验，提出了一套复合型高分子导电材料金属含量与金属分散均匀度的测定方案。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

本实验所用测定对象为热压自制的掺杂金属铅粉的聚乙烯基复合型高分子导电材料，金属含量要求波动不大于设定值的3%。对金属铅含量测定所涉及的试剂材料如下所示：

去离子水；乙酰丙酮，分析纯；硝酸：ω(HNO3)=1:4；邻二氮杂菲溶液，1g邻二氮杂菲溶于100mL硝酸；乙酸钠溶液，ρ=0.2g/mL；六次甲基四胺溶液，ρ=0.2g/mL；二甲酚橙溶液，ρ=0.01g/mL；乙二胺四乙酸二钠标准溶液，c(EDTA)=0.025mol/L。

2.2 设备及仪器

自动电位滴定仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；电子天平，湖南辰科技有限公司；马弗炉(200℃～1000℃)，湖南华德电子有限公司；切割水刀，沈阳奥拓福科技股份有限公司。

2.3 测定步骤

2.3.1确定EDTA滴定度

首先称取9.246gEDTA于烧杯中，加100mL去离子水溶解，并将液体转移到1000mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，混匀；其次，称取1g纯铅粉，并与100mL硝酸混合于200mL烧杯中，盖上表面皿，并使用电炉加热至铅粉完全溶解；最后，将烧杯内液体转移至500mL容量瓶中，以去离子水稀释至刻度，混匀。

将液体取出约100mL，使用注射器针筒取25mL溶液，置于烧杯中；向溶液加入2mL乙酰丙酮与8mL邻二氮杂菲溶液，稀释至体积约为150mL，加入六次甲基四胺溶液20mL，最后用EDTA标准溶液滴定直至溶液显示为亮黄色。按公式(1)计算EDTA标准溶液对铅的滴定度：

(1)

其中，(g/mL)是EDTA标准溶液对铅的滴定度，(g)是铅粉的质量，(mL)是使用的EDTA标准溶液的体积。

2.3.2测试样处理

第一步，使用切割水刀在整块复合材料板上的四角与中心各取一次10cm×2cm×2cm大小的测试样，并粉碎筛选测试样5g。其次，将测试样置200mL烧杯中，在电炉上加热使复合材料的聚乙烯组分碳化；将烧杯内容物放置于马弗炉中，在450℃～600℃的环境中煅烧，并冷却至室温；加入100mL硝酸并在烧杯口盖上表面皿，在电炉上加热直至试样完全溶解。

样品溶解后，将烧杯与表面皿整体取下自然冷却至室温；冷却后，用去离子水清洗表面皿以及烧杯杯壁，将清洗水集中至烧杯中，并将烧杯内液体转移至500mL容量瓶中，以去离子水稀释至刻度，混匀。

最后，将混合液体取出约100mL，使用注射器针筒取25mL溶液，置于烧杯中；向溶液加入2mL乙酰丙酮与8mL邻二氮杂菲溶液，稀释至体积约为150mL，加入六次甲基四胺溶液20mL，用EDTA标准溶液滴定直至溶液显示为亮黄色，并记录溶液用量。连续做3组试验，并取平均值。根据公式(2)计算金属铅的用量：

其中，W(%)是样品中铅的质量分数，(mL)是EDTA标准溶液滴定至滴定终点所消耗的体积平均值，(g/mL)是EDTA标准溶液对金属铅的滴定度，(g)是试样质量，500/25是稀释的倍数。

3 结果与讨论

3.1 样品形态

在进行对金属铅含量的检测之前需要优先消除其他组分的影响，本研究采用碳化的方式去除多余组分。为使样品充分碳化，将样品使用粉碎机进行粉碎。并使用不同目数筛网，筛取测试样粉末。结果表明，更大的目数可以筛取更小的测试样颗粒，更小的试样颗粒直径代表了更均匀的受热，极大降低了样品充分碳化所需时间。使用100目以上筛网时，更多目数对整体碳化效果影响不大。因此选用100目筛网对测试样进行筛选。

3.2 样品分析

本次研究分别以铅含量设定值为75%、80%与85%的三种材料作为研究对象，测试了5个药品，具体测定数据见表1与图1。

表1 理论值与测定值

图1 拟合示意图

EDTA标准溶液对金属铅的滴定度在试验开始前确定，通过这一步骤，本研究的测定方法可以真实有效地反映试验中样品的铅含量。铅含量的理论值是对材料金属含量提出的期望值，表1数据表明，测定值与设定值最大相差小于3%，材料的铅含量符合期望值。对从材料平均取样的小样进行金属含量的测试并将所得数据拟合。由图1可知，相关性R2大于0.98，表明各点金属含量数值相近，整体材料具有较强的均匀性。