埃洛石纳米管及甲壳素纳米晶增强的橡胶导电复合材料

摘要

一维纳米材料如纳米晶、纳米管、纳米纤维等，其具有长径比大、机械强度高、比表面积大和吸附性能好等优越性能，在复合材料中具有重要的应用。本论文选取来自自然界的两种一维纳米材料——埃洛石纳米管(HNTs)和甲壳素纳米晶(CNCs)，将其与橡胶材料通过溶液法复合，系统研究了复合材料的制备、结构和性能，制备了高性能的橡胶纳米复合材料。通过导电组分的引入，制备了具有良好的导电性能和应变传感性能的新型复合材料，在高性能导电橡胶材料领域上具有潜在的应用前景。 (1)以HNTs为模板，通过原位聚合的方法制备了PPy包裹的HNTs(PPy@HNTs)，发现其在水中具有良好的分散性和稳定性。进而采用溶液混合的方式与羧基丁苯橡胶胶乳(xSBR)复合制备了xSBR/PPy@HNTs导电复合材料。研究发现，PPy@HNTs的加入，可以赋予xSBR良好的导电性，当填料含量为10%时，样品的电导率为1.82×10-4S/m。FTIR和XRD结果表明PPy@HNTs和xSBR之间具有一定的界面相互作用，复合材料的拉伸强度随着PPy@HNTs含量的增加而增加。从而制备了一类具有高机械性能、良好导电性和低成本的橡胶复合材料，可以用于压阻式传感器、聚合物电极和电容器等。 (2)利用酸解法和超声波分散法制备了均匀稳定的CNCs分散液，采用偏光显微镜(POM)和流变仪对CNCs分散液的液晶行为和溶胶-凝胶转变行为进行了研究。发现CNCs的液晶相在浓度为5%时开始出现，CNCs能在油介质中组装成液晶态，并在干燥时保持液晶结构。10%浓度的CNCs分散液表现出溶胶-凝胶转变行为。通过溶液混合-浇铸的方法，将CNCs水分散体加入到天然橡胶(NR)胶乳中制备了纳米复合膜材料。拉伸和撕裂测试表明，CNCs可以显著提高NR的机械强度和模量，10wt.%CNCs的复合材料的拉伸强度为5.75MPa，是纯NR的6.25倍。动态机械分析结果表明，NR/CNCs复合材料的储能模量随着CNCs载入量的增加而增加。CNCs的加入可以提高NR/CNCs复合材料的热稳定性。NR/CNCs复合材料具有制备过程简单、机械性能高、环境友好等优点，在绿色高性能弹性材料领域具有潜在应用，同时该研究拓宽了CNCs的应用领域。 (3)利用CNCs较好的增强能力，将其与NR胶乳复合，通过热喷涂法在玻片基底上逐层喷涂NR/CNCs胶乳和导电炭黑(CB)，从而形成了三明治复合结构。通过收卷的方式成功制备了螺旋层状结构的NR/CNCs-CB导电复合材料。研究发现，CB能够紧密地黏附在NR/CNCs基体上，而且CB层厚度能有效地控制复合材料的导电性能。CB含量为4.44%的复合材料作为应变传感器，发现其能检测关节弯曲、点头、张嘴、睁眼和闭眼等人类生理活动。复合材料具有良好的回复性，在多次的拉伸-释放周期中，其拉伸-释放曲线几乎重合(n>1)。这类复合材料具有导电性良好、拉伸性好、结构稳定和可变应变灵敏度等特点，使其作为可穿戴电子产品在监测人类日常活动方面具有潜在应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 一维纳米材料

1.3 聚合物/一维纳米颗粒复合材料

1.4 柔性传感器

1.5 本研究的目的与主要内容

第二章 聚吡咯@埃洛石纳米管/羧基丁苯橡胶导电复合材料

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 甲壳素纳米晶的液晶行为及天然橡胶/甲壳素纳米晶复合材料

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 甲壳素纳米晶增强的天然橡胶/炭黑导电复合材料及其传感性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

结论

参考文献

硕士期间的研究成果

致谢