炭黑填充聚酰胺6制备导电复合材料及其结构和性能研究

论文摘要

在高聚物共混物中加入炭黑制备导电高聚物是近年高分子材料共混领域中的研究热点之一,高聚物共混物的相分离和炭黑选择性地分散到某一相中,能够在炭黑用量较低的情况下获得高电导率的复合材料,另一方面能够提供比较好的加工性能,并且有效减弱因填料含量较高时造成的机械性能下降的影响。本文以炭黑粒子为导电填料,聚酰胺6为主要聚合物基体,在HAAKE转矩流变仪中制备了PA6/PS/CB、PA6/PAN/CB等导电复合材料,研究了炭黑粒子的分散形态、共混体系相形态、共混体系流变行为特点,以及它们与炭黑/聚合物共混体系导电性能的关系。采用扫描电镜观察、透射电镜观察、炭黑粒子迁移现象观察,以及溶剂选择溶解等方法,考察了炭黑粒子在PA6/PS和PA6/PAN共混体系中的选择性分散情况,得到炭黑粒子都选择性的分散在PA6相中的一致结果。炭黑/聚合物共混体系中炭黑含量一定时,炭黑富集相中炭黑含量与炭黑富集相的连续状态共同影响体系导电能力,炭黑富集相含量相对较少时更有利体系导电性能的提高;炭黑富集相含量相对较少且保持连续状态时,体系导电能力达到最大值。研究了PA6/PS/CB共混体系的动态流变行为。结果表明,共混体系表现出自相似性的黏弹行为;炭黑填充聚合物共混体系的G’等曲线均位于炭黑填充单一组分相应曲线之间,且G’随PS含量的增加而增大,说明炭黑填充二元聚合物复合材料比炭黑填充一元聚合物复合材料更有弹性。对炭黑/聚合物共混体系动态力学行为的研究结果表明,炭黑导电粒子的加入对聚合物共混体系起到了增强作用,随着炭黑填充量的增加复合材料的储能模量也在提高,并且填料的加入使体系的玻璃化转变温度略往高温处移动:共混体系的E’均随温度的升高而呈现逐渐降低的趋势,E’显著变化的区域分别对应不同的力学状态;PS组分的加入能提高复合材料对温度变化的敏感性:PA6/PAN/CB共混体系的E’随PAN含量的增加而提高,共混体系出现力学损耗峰的温度随PAN含量的增加而提高,并且损耗因子tanδ值变小。PAN组分的加入提高了复合体系的机械性能和耐热性能。结合DMA、DSC、TEM等实验方法,研究了PA6/PAN/CB共混体系的相形态以及其与材料导电性能的关系。结果表明,PA6与PAN相呈现部分相容性的特点;随着PAN组分的增加复合体系出现微相分离结构,并且PAN组分的加入能诱使一部分炭黑粒子分散到PA6、PAN两相界面处,在这两种作用下,PA6/PAN/CB共混体系的导电性能得到提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 导电高分子材料及其分类
• 1.1.1 结构型导电高分子
• 1.1.2 复合型导电高分子
• 1.2 复合型导电高分子材料导电机理
• 1.2.1 渗流理论
• 1.2.2 导电通道学说
• 1.2.3 隧道效应学说
• 1.2.4 场致效应学说
• 1.3 导电填料
• 1.3.1 炭系导电填料
• 1.3.2 金属及金属氧化系填料
• 1.3.3 复合填料
• 1.4 聚合物基体
• 1.5 炭黑粒子与聚合物界面
• 1.5.1 炭黑粒子与聚合物基体间的相互作用
• 1.5.2 炭黑粒子在聚合物基体中的分散
• 1.5.3 影响炭黑在聚合物共混体系中分散的因素
• 1.5.3.1 界面张力
• 1.5.3.2 离子间相互作用
• 1.5.3.3 聚合物粘度
• 1.5.4 炭黑在聚合物共混体系中分散状况的表征方法
• 1.5.4.1 接触角比较
• 1.5.4.2 正温度系数（PTC）效应
• 1.5.4.3 曲线比较法
• 1.5.4.4 电子显微镜观察
• 1.6 影响炭黑填充聚合物复合材料导电性能的因素
• 1.6.1 炭黑的种类、性质和填充量
• 1.6.2 填料-填料,以及填料-聚合物间相互作用力平衡
• 1.6.3 聚合物基体性质以及聚合物间相互作用
• 1.6.3.1 聚合物基体的表面张力
• 1.6.3.2 聚合物结晶能力
• 1.6.3.3 聚合物分子量
• 1.6.4 加工工艺及成型
• 1.6.5 环境条件
• 1.7 炭黑填充二元或多元聚合物共混体系
• 1.7.1 炭黑/二元聚合物体系与炭黑/单一聚合物体系导电能力对比
• 1.7.2 微观形态对炭黑/二元聚合物体系导电能力影响
• 1.8 复合型导电高分子材料的应用
• 1.8.1 抗静电和导电材料
• 1.8.2 压敏导电胶
• 1.8.3 雷达吸波材料
• 1.8.4 电磁屏蔽材料
• 1.8.5 自控温发热材料
• 1.8.6 其它应用领域
• 1.9 课题提出
• 1.9.1 研究背景和课题提出
• 1.9.2 研究内容
• 1.9.3 研究目的及意义
• 第二章 炭黑填充聚酰胺6共混体系导电性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 仪器设备
• 2.1.3 试样制备
• 2.1.4 测试方法
• 2.1.4.1 导电性能的测试
• 2.1.4.2 微观形态表征方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 炭黑含量与复合材料导电性能的关系
• 2.2.2 炭黑在共混体系的分散形态
• 2.2.2.1 炭黑分散形态的表征
• 2.2.2.2 炭黑相间迁移观察
• 2.2.2.3 溶剂选择溶解
• 2.2.3 聚合物基体的质量比对复合体系导电性能的影响
• 2.2.4 聚合物基体的相结构与复合材料导电性能的关系
• 2.2.5 加工以及成型工艺条件对复合材料导电性能的影响
• 2.2.5.1 熔融共混时间对复合材料导电性能的影响
• 2.2.5.2 熔融共混时螺杆转速对复合材料导电性能的影响
• 2.2.6 测量条件对复合材料导电性能的影响
• 2.2.6.1 通电时间
• 2.2.6.2 测量温度
• 2.3 本章小结
• 第三章 炭黑填充聚酰胺6共混体系流变行为研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 试样制备
• 3.1.3 测试与表征
• 3.1.3.1 动态流变行为
• 3.1.3.2 动态力学行为
• 3.1.3.3 DSC测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 炭黑填料对复合材料动态力学行为的影响
• 3.2.2 炭黑/聚合物共混体系的动态流变行为
• 3.2.3 炭黑/聚合物共混体系的动态力学行为
• 3.2.4 PA6/PAN/CB共混体系的形态分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表与投寄的论文