改性碳纳米管填充PVDF/PC复合材料结构与性能研究

论文摘要

本论文以多壁碳纳米管（MWNT）为导电填料,聚碳酸酯（PC）、聚偏氟乙烯（PVDF）为基体,通过熔融共混和热压的方法制备了聚合物基导电复合材料。研究了填料含量、形态结构和表面化学成分对复合材料微观结构和导电性能的影响,并利用动态渗流测量技术研究了 MWNT填充复合材料导电网络形成的动力学过程。研究的重点是碳纳米管种类、表面性质对导电网络形成的影响以及碳纳米管与炭黑在导电网络形成过程中的协同作用,并建立复合体系导电网络形成的热力学渗流模型。研究结果表明,MWNT、MWNT-COOH 和 MWNT-HBPE（HBPE为超支化聚乙烯）填充PVDF复合材料的室温电性能都呈现明显的渗流现象,渗流阈值分别为1.7Phr、2.5Phr和5.8Phr,由于经过改性处理的MWNT增强了与基体分子链之间的相互作用力,导致了体系的渗流阈值偏高。PVDF/MWNT与PVDF/MWNT-HBPE两体系最终室温电性能高于PVDF/MWNT-COOH体系。在非电场条件下,利用动态渗流测试方法研究了 PVDF熔体中碳纳米管导电网络形成的动力学过程。结果表明,随着热处理温度和导电填料含量的增加其渗流时间将逐渐减少。PVDF/MWNT、PVDF/MWNT-COOH 和PVDF/MWNT-HBP体系形成导电网络的活化能分别为107、126和83kJ/mol,其活化能值的大小与填料形态结构、填料与基体间相互作用力有关。此外,提出了一个修正的热力学模型能够较好预测MWNT填充单相聚合物体系的渗流时间,理论预测值与实验结果基本吻合。经过偶联剂KH550处理的MWNT填充PC体系,形成导电网络的活化能先随着偶联剂的增加而增加,MWNT/KH550比例为100/6之后,继续增加偶联剂含量并没有导致导电网络活化能的升高。动态渗流时间也是先随偶联剂的增加而延长,再之后偶联剂用量对渗流时间影响不大。以多壁碳纳米管（MWNT）和碳黑（CB）作为填料,聚碳酸酯（PC）作为基体制备的复合型导电高分子材料在PC熔融条件下进行等温热处理,实时监测复合材料电阻率随时间的变化,研究MWNT和CB协同形成导电网络的动力学过程。研究发现,低电场下当填料浓度较低时,PC/MWNT/CB（MWNT/CB质量比为8/2）体系的渗流时间（tp）比填充MWNT体系的要短,填料间表现出明显的协同效应,但随着填料浓度的增加,协同效应减弱。高电场下,原本有显著协同效应的混合填料在电场作用下协同效应大为减弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合型导电高分子材料的理论
• 1.2.1 复合型导电高分子材料的导电机理
• 1.2.2 复合型导电高分子材料的动态渗流理论
• 1.2.3 复合型导电高分子材料的导电性能影响因素
• 1.3 聚合物/碳纳米管复合材料
• 1.3.1 碳纳米管概述
• 1.3.2 碳纳米管对聚合物进行改性过程所遇到的问题
• 1.3.3 碳纳米管的表面化学修饰
• 1.3.4 聚合物碳纳米管复合材料的制备方法
• 1.3.5 聚合物/碳纳米管导电复合材料的应用
• 1.4 混合导电填料在聚合物中的协同效应
• 1.4.1 碳纳米管/纳米粘土填充复合材料
• 1.4.2 碳纳米管/石墨填充复合材料
• 1.4.3 碳黑/粘土填充复合材料
• 1.4.4 碳黑/碳纤维填充复合材料
• 1.5 课题的提出及研究内容
• 1.5.1 课题的提出及研究背景
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及性能
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验流程
• 2.4 试样制备
• 2.5 试样性能测试
• 2.5.1 电阻测试
• 2.5.2 红外分析
• 2.5.3 热重分析
• 第三章 超支化聚乙烯改性MWNT填充PVDF体系的电性能研究
• 3.1 MWNT的表面处理
• 3.2 MWNT含量及表面性质对复合材料电性能的影响
• 3.3 MWNT填充PVDF体系动态渗流现象
• 3.3.1 动态渗流现象
• 3.3.2 导电网络形成活化能
• 3.4 MWNT表面形态对PVDF/MWNT体系导电网络形成的影响
• 3.5 MWNT含量对导电网络形成的影响
• 3.6 导电网络形成过程热力学模型
• 3.7 本章小节
• 第四章 偶联剂改性MWNT填充PC体系导电网络形成规律研究
• 4.1 MWNT填充PC体系动态渗流现象
• 4.1.1 动态渗流现象
• 4.1.2 电阻弛豫现象
• 4.1.3 导电网络形成活化能
• 4.2 MWNT的偶联剂改性
• 4.3 偶联剂含量对导电网络形成的影响
• 4.4 MWNT含量对导电网络形成的影响
• 4.5 导电网络形成过程热力学模型
• 4.6 本章小节
• 第五章 MWNT/CB填充PC体系的导电网络形成规律研究
• 5.1 填料种类及含量对复合材料电性能的影响
• 5.2 填料种类及含量对导电网络形成的影响
• 5.3 强电场下PC/s-MWNT/CB体系协同效应研究
• 5.4 导电网络形成动力学模型
• 5.5 本章小结
• 第六章 主要结论和创新点
• 6.1 主要结论
• 6.2 特色及创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文