导电高聚物复合材料制备及性能研究

发布时间：2020-07-03 17:06

【摘要】：导电高聚物复合材料制备及性能研究,对高聚物基体、导电填料分析并筛选,确定选用炭黑/多壁碳纳米管/聚丙烯复合材料。本文通过熔融共混、注塑成型的方法将炭黑(CB)母粒、多壁碳纳米管(MWCNTs)母粒与聚丙烯(PP)混合制备CB/MWCNTs/PP导电复合材料。通过改变MWCNTs和CB的体积分数,探究导电填料含量对复合材料形态结构、热学性能、压阻行为和流变性能的影响。本论文主要从以下几个方面展开研究:首先,对CB母粒、MWCNTs母粒和PP粒料进行计算称量,通过高速混料机混合并标注编号,用双螺杆挤出机挤出造粒,将造好的粒料烘干倒入注塑机中制备出不同规格的CB/MWCNTs/PP导电高聚物复合材料。其次,分析导电填料含量对CB/MWCNTs/PP复合材料微观形貌、动态热力学和结晶行为的影响。通过SEM图可以看出随着导电填料增多,粒子间隙越来越小,复合材料导电性能增强,MWCNTs的掺入会提升复合体系导电性能;DMA试验表明复合材料的玻璃化转变温度和体系晶相转变温度随着CB含量的增大均有所下降,而储能模量和损耗模量在低温区会随着CB的增大而上升;POM试验表明CB填料的加入对PP球晶尺寸几乎没有影响,而MWCNTs填料的加入使得PP球晶尺寸逐渐减小。然后,研究发现高聚物复合材料的逾渗阈值随着MWCNTs填料含量的增加而降低;复合材料压缩应力-应变曲线初始阶段斜率会随着应变率及填料含量的增加而增大,出现应变率强化现象和复合材料颗粒增强作用。当导电填料含量低于或高于逾渗值时,导电复合材料电阻率表现出NPC效应,并且会随着应变率的增大出现下降滞后现象;当导电填料含量在逾渗值附近时,导电复合材料电阻率表现出PPC效应,并且会随着应变率的增大出现上升较快现象;复合材料的弹性模量随着填料含量的增大而增大,而拉伸强度的大小主要取决于基体与填料的相容情况,复合材料的泊松比对CB含量的变化并不敏感,与MWCNTs填料的含量呈现负相关。最后,流变性能试验结果表明CB/MWCNTs/PP复合材料属于温敏性材料;当导电填料φ4%,动态应变γ100%时,复合材料熔体呈现线性粘弹行为,动态应变γ100%时,复合材料熔体呈现非线性粘弹行为;复合黏度对低频率扫描不敏感,在低频率时,少量CB可作为复合材料的润滑剂,随着CB含量增加,复合材料粘度增大,当填料体积分数介于2%~4%之间,复合材料达到流变逾渗,随着频率上升,不同含量材料的复合黏度越来越逼近,并且呈现剪切变稀现象。
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

曲线,导电填料,浓度关系,电阻率

宁波大学硕士学位论文- 3 -图1.1 复合材料电阻率-导电填料浓度关系曲线Fig.1.1 Relationsbetweentheresistivityandconductive fillercontent（2）有效介质理论有效介质理论是对二元无规则非均匀复合材料中电子传递现象的解释，认为复合体系中导电颗粒都具有相同的电导率。1987 年，宾夕法尼亚州立大学材料研究室 D.Mclachlan 等研究者根据有效介质理论提出有效介质普适方程（GeneralEffectiveMediaEquation，GEM 方程）[11]： 1/ 1/ 1/ 1/1/ 1/ 1/ 1/10t t t tl ht t t tl hA A （1.1）式中：1ccA ，φc为高电导率成分临界体积分数；φ为高电导率成分的体积分数；σ为复合材料基体成分的电导率；σh为高电导率成分的电导率；σl为低电导率成分的电导率；t 为渗流常数。GEM 方程尽管可以对二元复合材料的电阻率-填料浓度曲线进行精确拟合，但方程中的结构参数仍然无法与填料形状、大小及分布相对应，GEM 方程的使用受到一定限制。（3）热力学理论热力学理论是由 Miyasaka 提出，认为导电填料和高聚物基体界面效应会影

照片,双螺杆挤出机,料筒,温控系统

导电高聚物复合材料制备及性能研究- 16 -图2.1 双螺杆挤出机料筒及温控系统Fig.2.1 Barrelsandtemperaturecontrollingsystemofdoublescrewextruder用 LQ60 型切粒机将通过不锈钢水槽冷却后的复合材料长条切粒（如图 2.2所示），切粒机的转速控制在 500r/min 左右，得到复合材料的注塑母料。将切粒后的各编号的母料倒在托盘中，放置在 90℃的烘箱中干燥 12h，用于下一步注射成型工艺。图 2.2 双螺杆挤出机现场运作照片Fig.2.2 Thephotos ofdoublescrewextruder

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