溶液流延法制备PVB基导电梯度功能材料的形成机制研究

论文摘要

聚合物基导电复合材料（Conductive Polymeric Composites，简称CPCs）具有电阻可调、加工性能良好、成本低廉等特点，在导电聚合物材料中占据主要地位。目前，复合型导电材料大多数都为均质结构，需要高的导电粒子填充量才能实现其导电性能的逾渗转变，这不可避免地导致材料力学性能的大幅度下降。本课题将“梯度”的概念引入填充复合型聚合物导电材料中，将材料的“导电”性能和“梯度结构”巧妙地结合起来，借助Stokes原理，运用溶液流延法制备了金属填充型聚合物基梯度功能材料，很好地解决了力学性能和电学性能间的突出矛盾。本论文以聚乙烯醇缩丁醛（polyvinyl butyral，简称PVB）为溶质，乙醇为溶剂，制备了不同浓度的溶液，并对该溶液的特性、填充粒子在溶液中的沉降行为，以及材料的梯度形成机制进行了研究。结果表明，粒子在PVB/乙醇溶液中的沉降速度受溶液浓度、溶剂挥发速率、粒径、粒子与溶液的密度差等因素的影响；其沉降行为可以近似地用Stokes方程进行描述；实际沉降速度νm与理论沉降速度νt的关系式为：νm=A+Bνt；理论推导表明，临界粘度ηc可用下式计算：对于PVB/Cu/乙醇体系，梯度成型的临界浓度Cc约为0.27。借助于上述方法，本文分别以Cu、Ni等导电粒子为填料，制备了一系列PVB基导电梯度功能材料，考查了粒子含量及粒子形状等因素对材料结构和性能的影响。材料横断面的扫描电镜（SEM）照片和能谱（EDS）扫描证明，填料在材料横断面垂直方向上呈梯度分布，说明本方法能成功制备聚合物基梯度材料。电学性能研究结果表明，材料两侧在导电性能上有重大差别，富含树脂一侧的表面电阻率始终保持在1016Ω左右的数量级，而富含导电粒子的一侧的表面电阻率降为106Ω数量级左右，电性能的逾渗转变发生在导电填料含量为3.0～4.5vol.%之间，而达到同等导电水平的均质复合导电材料的逾渗值约在16vol.%左右。力学性能研究结果表明，材料的力学性能随填料含量的增加下降幅度较小，与均质导电复合材料随导电填料含量增加而下降的现象有明显区别。电磁屏蔽效能测试表明，所制备材料具有良好的电磁屏蔽效能，其屏蔽效能约在30-51dB。研究结果表明，以Stokes法则为理论指导，运用溶液流延技术，一步成型梯度材料的方法，是制备填充型聚合物基梯度功能材料的一条新途径。用本方法制备的聚合物基导电梯度功能材料能有效兼顾材料的电性能和力学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 梯度功能材料
• 1.1.1 梯度功能材料的概念
• 1.1.2 梯度功能材料的产生与发展
• 1.2 聚合物梯度功能材料
• 1.2.1 聚合物梯度功能材料的发展现状
• 1.2.2 填充复合型聚合物梯度功能材料的研究现状
• 1.2.3 填充复合型聚合物梯度功能材料的表征
• 1.3 复合型导电聚合物材料
• 1.3.1 复合型导电聚合物材料的发展概况
• 1.3.2 复合型导电聚合物材料的类型
• 1.3.2.1 金属填充型
• 1.3.2.2 金属氧化物及其复合填充型
• 1.3.2.3 碳系填充型
• 1.4 溶液流延法研究进展
• 1.4.1 溶液流延法制备聚合物膜材料
• 1.4.2 溶液流延法制备功能梯度材料
• 1.5 课题研究背景
• 1.6 选题目的与研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 技术路线
• 2.2 主要设备与原料
• 2.2.1 实验用主要原料
• 2.2.2 实验用主要仪器设备
• 2.3 PVB 乙醇溶液的制备
• 2.3.1 工艺流程
• 2.3.2 工艺说明
• 2.4 导电梯度材料的制备
• 2.4.1 工艺流程
• 2.4.2 工艺说明
• 2.5 PVB/乙醇溶液的性能表征
• 2.5.1 PVB/乙醇溶液密度的表征
• 2.5.2 PVB/乙醇溶液粘度的表征
• 2.5.3 PVB/乙醇溶液挥发性能的表征
• 2.6 固体导电粒子在 PVB/乙醇溶液中的沉降行为表征
• 2.7 梯度材料的表征
• 2.7.1 梯度结构的表征
• 2.7.2 电学性能的表征
• 2.7.3 电磁屏蔽性能的表征
• 2.7.4 力学性能的表征
• 第三章 梯度形成机制研究
• 3.1 理论基础
• 3.1.1 固体粒子在静止流体中的沉降行为
• 3.1.2 Stokes 法则在材料梯度形成机制中的启示
• 3.2 PVB/乙醇溶液的性能研究
• 3.2.1 PVB/乙醇溶液的密度-浓度关系
• 3.2.2 PVB/乙醇溶液粘度-浓度关系
• 3.2.3 PVB/乙醇溶液的挥发行为
• 3.2.3.1 溶液浓度对挥发速度的影响
• 3.2.3.2 时间对挥发速率的影响
• 3.2.3.3 环境温度对挥发速率的影响
• 3.3 固体导电粒子在 PVB/乙醇溶液中的沉降行为
• 3.3.1 非牛顿性对导电粒子在 PVB/乙醇溶液中沉降行为的影响
• 3.3.2 粒子形状对沉降行为的影响
• 3.3.3 粒子密度对沉降行为的影响
• 3.3.4 小结
• 3.4 梯度形成条件分析
• 3.4.1 粒子的沉降行为与溶剂挥发行为的关系
• 3.4.2 临界粘度ηc的推导
• 3.4.3 PVB/乙醇体系临界浓度c c的计算
• 第四章 导电梯度材料的制备与性能研究
• 4.1 成膜溶液浓度对粒子梯度分布的影响
• 4.2 加工工艺对成膜质量的影响
• 4.2.1 PVB/乙醇溶液的制备
• 4.2.2 悬浮液的制备
• 4.2.3 干燥条件
• 4.3 材料的梯度结构表征
• 4.4 材料的电学性能
• 4.5 材料的力学性能
• 4.6 材料的电磁屏蔽效能
• 4.7 本方法在其它体系中的应用
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文及科研成果
• 致谢