环氧树脂/“磨碎碳纤维/绢云母”复合材料的性能与机理

摘要

聚合物导电复合材料已广泛用于电子电气和航天领域。其中导电塑料可消除静电，制造接触开关、连接器、集成电路、印刷电路板、仪器外壳、电子元件的包装材料、电磁干扰屏蔽材料，以及计算机元件、人造器官等产品。 环氧树脂(EP)具有良好的电气性能、机械加工性能和化学稳定性，是综合性能优良的廉价通用塑料。EP作为传统的优良电气绝缘材料，人们对其电性能的研究主要集中在如何提高其电气绝缘性方面。目前，国内外已经开始有用短碳纤维、碳纳米管、石墨导电填料填充EP，制备导电塑料的研究报道，但着眼于同时提高EP导电性能和力学性能的研究报道则很少。粉体的共复合法是在有效的界面设计与调控的基础上，利用两种或两种以上物理、化学性质，形状要素不同的无机粉体的合理组合，发挥协同效应，达到对材料增强、增韧、降低电阻以及其他各种改性目的的复合技术。本实验选取磨碎碳纤维(SCF)作填料，以EP为基体，制备出EP/SCF导电复合材料。在此基础上，根据“粉体共复合法”的思想，对粉体间协同效应进行预设计，利用机械力化学改性后的绢云母与SCF间良好的无机相容性，通过机械共混，制备出SCF/绢云母复合粉体，填充EP，获得了力学性能显著提高的EP/SCF/绢云母导电复合材料。主要研究工作和结论如下： 1. 应用超音速气流粉碎机对绢云母进行机械力化学改性。红外吸收光谱(FTIR)分析结果显示：将硬脂酸添加到绢云母中，经超音速气流粉碎后，硬脂酸中羧基(-COOH)的C=O反对称伸缩振动吸收峰(波数在1725 cm-1~1700 cm-1)消失了，取而代之的是羧酸盐(-COO-)中的C=O反对称伸缩振动吸收峰(波数在1576 cm-1和1546 cm-1处)。据此可以判断：在强烈的机械力作用下，硬脂酸可能沿着羧基中羟基的O-H断键，形成羧酸根负离子，以化学吸附的方式吸附于绢云母表面，形成“绢云母/硬脂酸”复合粉体。 2. 采用机械混合法，制备了“SCF/绢云母”复合粉体。复合粉体的扫描电镜(SEM)形貌分析和X射线能谱仪(EDS)表面元素分析表明，绢云母同SCF间表现出良好的无机相容性，部分绢云母片牢固的吸附于SCF表面，与之发生了复合作用，形成了“SCF/绢云母/硬脂酸”复合结构，凸化了纤维的表面，增大了其粗糙度，同时赋予纤维表面一定的亲油性。这种“复合粉体协同效应”，文献中尚未报道过。 3. 采用“SCF/超细改性绢云母”复合粉体为填料，能有效的补强EP的力学性能，补强效果强于单纯的SCF填料，并显著降低EP的体积电阻率。其中EP/SCF/绢云母(67/25/10)复合材料的综合性能最佳，其拉伸强度、拉伸弹性模量和冲击强度分别达到49.6 Mpa、1030 Mpa和6.96 kJ·m-2，比EP材料提高了29.8 Mpa，684 Mpa，3.87 kJ·m-2，体积电阻率rv从1.14×1015 Ω·cm降至2.25×108 Ω·cm；较之EP/SCF(67/25)复合材料，其拉伸强度提高了12.2 Mpa，拉伸弹性模量提高了120 Mpa，冲击强度提高了0.77 kJ·m-2，rv仅上升了约1个数量级。 4. EP/SCF/绢云母复合材料试样断口SEM形貌分析和EDS元素分析表明，SCF拔出时覆有较多界面层黏附物。正是由于机械力化学改性后的绢云母同SCF间良好的无机相容性，二者能很好的吸附、复合，形成“SCF/绢云母/硬脂酸”复合结构，使“SCF/绢云母”复合粉体在复合材料中得以同EP形成粘结良好的“SCF/绢云母/硬脂酸/EP”界面层结构，从而显著提高了复合材料的力学性能。实验结果初步实践了“通过预设计复合粉体的协同效应，改善碳纤维同基体间界面作用，提高导电复合材料的力学性能”这一设想。