膨胀石墨的包覆改性及其导电复合材料的制备

论文摘要

本论文主要研究了用不饱和树脂(UPR)对膨胀石墨(EG)进行改性制备改性膨胀石墨的制备方法以及采用该改性膨胀石墨粉末为填料制备的导电复合材料(HDPE/EG,PP/EG,PS/EG,ABS/EG,PA/EG)的制备方法,以此来探索一种能方便工业化流程的制备纳米石墨导电复合材料的复合分散方法。膨胀石墨呈蠕虫状结构,十分松软,相互粘接的倾向性强,用一般的机械粉碎方法很难将其粉碎成很小的颗粒。膨胀石墨表面是由大量厚度为100nm～400nm的石墨微片构成,内部含有大量厚度为60nm～80nm的纳米石墨微片。膨胀石墨在与聚合物直接熔融复合的过程中(如挤出的过程),容易因受到挤压作用而合拢,导致膨胀石墨微片的团聚,在聚合物基体中难以均匀分散。膨胀石墨表面有很多开放和闭合的微孔,孔径约为10nm～10μm,使一般的有机分子甚至大分子溶液均容易渗透、插入到膨胀石墨的微孔中,因此,在本文中通过采用不饱和树脂对膨胀石墨进行改性来提高膨胀石墨在聚合物基体中的分散性,从而阻止纳米石墨微片在复合过程中的团聚。本文采用不饱和树脂对膨胀石墨进行改性,利用不饱和树脂将构成膨胀石墨的纳米微片包裹并隔离开,从而避免了纳米石墨薄片在与聚合物熔融复合的过程中产生团聚。这样制备的改性膨胀石墨具有一定的机械强度,便于用机械法将其粉碎成很小的颗粒。然后通过单螺杆熔融挤出,可以将改性膨胀石墨粉末均匀的分散在聚合物基体中,从而制备出具有较低导电渗滤阈值的导电复合材料。通过样品的SEM照片也可以看出纳米石墨微片均匀的分散在聚合物基体中。采用该方法制备的导电复合材料(HDPE/EG,PP/EG,PS/EG,ABS/EG,PA/EG)都具有很低的导电渗滤阈值,复合材料的电阻率和石墨含量关系曲线都呈现典型的S型非线性关系。本文运用渗滤理论和隧道理论对这一现象进行了很好的解释。另外,纳米石墨微片具有很大的径厚比,非常有利于在聚合物基体中形成导电网络。通过此方法制备的HDPE/EG导电复合材料拉伸强度随石墨含量的增加出现了微小的上升,当石墨含量高于4 wt%时,拉伸强度出现了微小的下降,但是和聚合物基体相比也没有出现明显的降低;但是复合体系的抗冲击强度随石墨含量的增加出现明显的下降,当石墨含量高于3 wt%时,抗冲击强度不再出现明显变化。而PP/EG复合体系的拉伸强度和抗冲击强度在达到复合体系的导电渗滤阈值之前都没有出现明显的变化,当石墨含量超过了复合体系的导电渗滤阈值后,拉伸强度和抗冲击强度都出现了明显的下降。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物基导电复合材料
• 1.2 聚合物基导电复合材料的电子传输行为
• 1.2.1 渗滤理论
• 1.2.2 隧道导电理论
• 1.2.2.1 低温热跃迁导电理论
• 1.2.2.2 Simmons 隧道导电理论
• 1.2.2.3 Ezquerra 隧道导电模型
• 1.2.3 场致发射理论
• 1.2.4 渗滤值的估算
• 1.2.5 小结
• 1.3 纳米复合材料
• 1.4 聚合物/石墨纳米复合材料研究进展
• 1.4.1 聚合物/膨胀石墨直接复合制备导电复合材料
• 1.4.2 聚合物/纳米石墨微片复合制备导电复合材料
• 1.4.3 石墨纳米复合材料其他性能的研究
• 1.5 聚合物加工技术
• 1.6 本论文的研究目的及研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要实验原料和仪器
• 2.2 膨胀石墨的制备
• 2.3 改性膨胀石墨粉末的制备
• 2.4 聚合物/膨胀石墨纳米复合体系的制备
• 2.5 结构和性能表征
• 2.5.1 导电性能测试
• 2.5.2 扫描电子显微镜
• 2.5.3 力学性能测试
• 第三章 改性膨胀石墨粉末的制备及结构
• 3.1 概述
• 3.2 膨胀石墨的结构
• 3.2.1 膨胀石墨的外部结构
• 3.2.2 膨胀石墨的内部结构
• 3.2.3 膨胀石墨表面的基团
• 3.3 改性膨胀石墨的制备工艺
• 3.3.1 不饱和树脂固化时间的控制
• 3.3.2 改性膨胀石墨的制备
• 3.3.3 改性膨胀石墨的粉碎工艺
• 3.4 改性膨胀石墨粉末的结构
• 3.5 改性膨胀石墨粉末与聚合物基体复合
• 3.6 本章小结
• 第四章 改性膨胀石墨填充聚合物（PE，PP）的研究
• 4.1 概述
• 4.2 改性膨胀石墨填充聚乙烯
• 4.2.1 导电性能
• 4.2.2 导电机理
• 4.2.3 力学性能
• 4.2.4 膨胀石墨在基体中的分散情况
• 4.3 改性膨胀石墨填充聚丙烯
• 4.3.1 导电性能
• 4.3.2 导电机理
• 4.3.3 力学性能
• 4.3.4 膨胀石墨在基体中的分散情况
• 4.4 本章小结
• 第五章 改性膨胀石墨填充其它聚合物导电性能的研究
• 5.1 概述
• 5.2 改性膨胀石墨粉末填充其它聚合物（PA、ABS、PS）导电性能的研究
• 5.3 聚合物基体对复合材料导电性能的影响
• 5.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录