導電塑料的電阻率與壓力關系研究
發布時間：2016/6/28 訪問人數：912次
核心提示：聚偏二氟乙烯（PVDF）是結晶性塑料，具有較好的耐熱性，在PVDF中填充適當的炭黑等導電助劑，可在塑料基體中形成導電鏈路，使塑料M現導電性，因為塑料熱脹系數大于炭黑的熱脹系數，當溫度升高時，塑料基聚偏二氟乙烯（PVDF）是結晶性塑料，具有較好的耐熱性，在PVDF中填充適當的炭黑等導電助劑，可在塑料基體中形成導電鏈路，使塑料M現導電性，因為塑料熱脹系數大于炭黑的熱脹系數，當溫度升高時，塑料基體膨脹使內部導電助劑的導電鏈路部分斷開，使導電塑料的電阻率升高而呈現熱敏性，且熱敏性強弱隨基體塑料和填充的導電助劑性能不同而不同。
使用具有熱敏性的導電塑料作為發熱體，可以制成各種形狀和用途的自控溫電熱產品，如自控溫伴熱電纜、自控溫電暖氣等，前者廣泛應用于石油、化工等需要管道伴熱的行業。當自控溫伴熱電纜用于油井時，敷設在井筒環空或空心抽油桿中，其性能會受到環境壓力的影響。這種伴熱電纜下人深度一般為1000m，受到的最大壓力約為10MPa，因為塑料基體的壓縮系數與導電助劑炭黑的壓縮系數不間，當環境壓力變化時，其內部導電鏈路可能會發生變化，如果由此造成的電阻率變化較大，會影響其在環境壓力變化的情況下使用，因此，在研制這種導電塑料的同時，應檢測其電阻率隨壓力的變化，以優選出熱敏性好，電阻率隨環境壓力變化小的導電塑料。
我們選用結晶度較高的PVDF，調整高導電炭黑與高耐磨炭黑呈適當比例，制得電阻溫度系數較大的熱敏塑料，并在0.112MPa范圍內測試了壓力與電阻率的變化關系。結果表明，該導電塑料的電阻率在0.1~12MPa范圍內呈線性變化，且變化在4%以內，可以在石油油井等有圍壓環境條件下使用。
1實驗部分1.1主要原材料高導電炭黑：HG-1B，山東淄博華光化工廠；高耐磨炭黑：N330，山東青州第二化工廠。
1.2實驗設備和儀器35，同向旋轉，上海化工機械四廠；-65，漸變螺桿，長徑比為25：1，山東塑料橡膠機械總廠；~12MPa靜水壓，自制；-60，測量范圍。1~60MPa，河北滄州市試驗機廠。
1.3試樣制備將高導電炭黑和高耐磨炭黑按5：4的比例混合，制成混合炭黑；將PVDF和混合炭黑分別裝人雙螺桿擠出機的兩個喂料斗中，按91：9的比例喂料，共混造粒。將所得粒料用單螺桿擠出機擠出，經電纜機頭拉制成形似電視扁平饋線的伴熱電纜發熱線芯，其橫截面尺寸為11.8mmx2.6mm，兩平行銅導線中心距為9mnu1.4性能測試壓力用壓力表校驗器打壓，并用其測壓。
2結果與討論2.1低電壓下電阻率與壓力的變化關系從所得發熱線芯試樣截取1in，用氟塑料纏繞絕緣，放人自制的擬井筒圍壓裝置，用導線將發熱線芯的兩導線接出，作為測量電阻、電壓、電流的電極。
擬井筒圍壓裝置中充滿變壓器油后，再用壓力表校驗器向其充油，使其油壓從0.1MPa逐漸升高至12MPa.同時測量記錄壓力每升高IMPa時的電阻，然后再使壓力從2MPa逐漸降低到0.1MPa，測量相試數據重復性，其結果見表1.應壓力下的電阻。如此多次重復升降壓，觀測其測由表1可看出，壓力從0.IMPa升至12MPa過表1低電壓下圍壓與電阻的變化關系壓力/MPa巧iH電阻/n（升壓）電阻/fi（降壓）程中，伴熱電纜的電阻呈線性降低，在常壓下電阻為1320Q，在12MPa下電阻減至1266a變化了變化率為4%；當壓力由12MPa降低到0.1MPa過程中，電阻又從1266n增加到13200.多次加壓實驗證明，循環加壓中電阻均在上述范圍內重復變化。
在電壓不變的情況下，功率與電阻成反比，電阻減小使功率變大，因此在井筒有圍壓條件下伴熱電纜的功率將增大。
塑料的壓縮系數大于炭黑的壓縮系數，當導電塑料受壓后，塑料基體收縮，其內部形成導電鏈路的炭黑粒子也收縮，但炭黑的收縮量較塑料基體小，因此使塑料內部壓力增大，炭黑粒子間的接觸壓力增大，所以塑料受壓后炭黑本身的電阻率下降，炭黑粒子間接觸電阻也減小，使導電塑料的電阻率下降。當壓力降低后，塑料基體膨脹，其內部將出現與受壓時相反的變化，電阻率增大采用結晶性塑料作為基體，具有記憶功能，重復循環加壓，塑料內部將重復出現類似的變化，結晶度越高，重復性越好。
我們研制的導電塑料電阻率在0.1圍內只有4%的變化，相應的功率變化不大，所以可以在有圍壓環境條件下使用。
2.250V和100V電壓下電阻率與壓力的變化關系導電塑料的導電機理決定了其伏安特性是非線性的。導電塑料伏安特性是一個需要深人研究的課題。伴熱電纜是在100V以上電壓下工作的，因此，其功率與圍壓的變化關系應在其工作電壓下研究，但是，自控溫伴熱電纜是熱敏的，電壓較高時通電將使導電塑料發熱，電阻率隨溫度而變化，準確測量電阻率與圍壓的關系有一定難度，為此，測試了50V和100V電壓下功率與圍壓的變化關系，以此來說明其100V以上時的情況，測試時圍壓升降壓速度為5MPa/min，結果見表2和表3.表250v電壓下功率與圍壓的變化關系功率/W（升壓）功率（降壓）表3100V電壓下功率與圍壓的變化關系項目壓力/MPa功率/W（殲fi）功率/w（降壓〉由表2可看出，隨著圍壓的升高，伴熱電纜的發熱功率增大，常壓時為2.55W，而12MPa時則為2.70W，功率隨圍壓呈線性增加；降壓時由于通電加熱，使電纜溫度略有升高，造成功率減小，所以在相應壓力時功率比升壓時的功率減小，：為了消除溫度造成的影響，降壓時的部分數據是斷電待其冷卻后補測的。
由表3可看出，其規律與表2―樣，由于電壓為100V，電纜的發熱功率已達10.81W，所以其通電發熱造成的影響更加明顯，從0.1MPa升至8MPa過程中，功率是逐漸增大的，到9MPa時，由于溫度升高造成的影響起作用，使功率反而降低；斷電降低導電塑料和變壓器油溫度后測試10，11MPa時的功率表明，10MPa時的功率又高于9MPa時的功率，而壓力達到11MPa時，因導電塑料的溫度又有所升高，致使其功率比10MPa時減小，再次斷電降溫后測試12MPa時的功率，功率則隨壓力升高而增大。
2.3導電塑料的應用用制備試樣的工藝，生產了伴熱電纜發熱線芯，并經擠包絕緣層、護套層等工序，制成用于稠油油井井筒伴熱的電纜，并在勝利油田某油井中進行了試用。該伴熱電纜總長970m，實際下入深度950m，油井靜液面深320m，也就是電纜下人油液面630m，電纜最下端承受約6MPa的壓力。油井作業施工完成后在地面對電纜整體絕緣性和發熱線芯的電阻進行了測量，其結果與在車間里測試的結果相似；給電纜通380V電壓后測試電流，并計算出發熱功率為26.7kW，與設計功率相符。由此應用情況表明，發熱線芯的導電塑料在6MPa環境壓力下電阻率變化規律與實驗室研究結果相同。
3結論（1）在0.112MPa圍壓范圍內，由于塑料基體與炭黑的壓縮系數不同，致使導電塑料的電阻率隨圍壓升高而呈線性減小。
