具有隔离导电网络的高分子复合材料的构筑及其性能研究

摘要

复合型导电高分子材料(CPCs)是高分子材料功能化的一个重要课题。CPCs是将一种或几种导电填料与一种或几种高分子基体复合制备而成。CPCs塑性好，易于规模化成型加工，成本较低且对外界刺激（如温度，液体，气体，应变，应力）具有良好响应行为。CPCs己广泛应用于电磁屏蔽，传感器件，航空航天，电子皮肤等领域。如何提高CPCs的力学性能，电学性能，降低其加工成本是影响CPCs应用的重要因素。备CPCs的传统方法往往需要填充较高含量的导电填料以获得较好的电学性能。然而，高填充量的CPCs往往具有高成本，高熔体粘度，力学性能差等缺点。所以，探索新的CPCs制备方法，获得具有易于成型加工，成本低，性能优异的导电高分子是研究的热点和重点。
　　本文将机械混合技术与热压工艺相结合，制备了隔离导电网络的聚丙烯(PP)基和尼龙6(PA6)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基CPCs，并研究了CPCs的逾渗行为及外界刺激响应行为。主要研究成果如下：
　　1、具有隔离导电网络的炭黑(CB)/PP复合材料制备及其液敏性能的研究
　　(1)本文首先通过溶解-破碎法制备了球形的PP粒子，然后用机械混合将导电粒子炭黑(CB)均匀分布在PP颗粒表面，制备出CB/PP混料，再经热压成型处理，制备出具有隔离结构的CB/PP CPCs。
　　(2)该制备方法通过复合材料微观结构和CB粒子的选择性分布，使CB填充PP CPCs的逾渗值从普通CB/PP的7.05 vol.％降至2.34 vol.%。
　　(3)研究了隔离CB/PP在不同溶剂中的液敏行为，发现该材料具有良好的选择性、高响应强度和响应速率。
　　2、具有隔离导电网络的CB/PP复合材料温敏性能的研究
　　(1)在五个升降温循环中，3.31 vol.%，3.79 vol.%，4.26 vol.% CB/PP CPCs的正温度系数效应(PTC)均随循环次数的增加而增加。这主要归因于CB粒子从界面区域向PP基质中的扩散。
　　(2)随着等温热处理时间的增加，三种CPCs的PTC强度先增加后下降。这是CB粒子再经扩散后又重新聚集的结果。但是，随着含量增加，达到转折点需要的等温时间越长。这是因为，CB含量越高，CPCs粘度越大，CB粒子扩散到平衡点所需时间越长。
　　(3)利用偏光显微镜在线研究追踪了CB导电网络形态结构的衍变，证实了CB粒子的先扩散后聚集。这是隔离结构CPCs特有的性质，对研究隔离结构CPCs的温敏行为具有重要的意义。
　　3、导电填料联用对具有隔离结构的PP基CPCs性能的影响
　　(1)通过高长径比碳纤维(CF)与CB粒子的协同效应，CPCs的逾渗值从隔离CB/PP的2.34 vol.%进一步降至CB/CF/PP的0.94 vol.%。
　　(2)隔离CB/PP拉敏行为呈现出良好的可重复性。这主要是因为CB粒子形成的隔离结构导电网络稳定性好；CF/PP拉敏行为响应度高，可重复性差，这主要是CF隧道接触间距的减小；CB/CF/PP通过CB与CF的协同效应，其拉敏行为呈现出响应度高，可重复性好的优点。
　　4、具有隔离一双逾渗导电网络的石墨烯/UHMWPE/PA6基复合材料性能的研究
　　(1)通过絮凝法制备了具有隔离-双逾渗结构的石墨烯/UHMWPE/PA6CPCs。复合材料的逾渗值仅为0.35 vol.%。碳纳米管(CNTs)/UHMWPE/PA6和CB/UHMWPE/PA6两种CPCs制备作为对照组。
　　(2)随温度的升高，CB/UHMWPE/PA6 CPCs呈现出正温度系数(PTC)温敏行为，CNTs/UHMWPE/PA6呈现出弱PTC温敏行为，而G/UHMWPE/PA6呈现出新奇的负温度系数(NTC)温敏行为。这种新奇的温敏行为主要归因于卷曲的G在升温过程中伸展，形成更加完善的导电网络。
　　(3)本研究表明石墨烯填充高分子是一种制备NTC材料的重要方法。

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英文摘要

目录

1 绪论

1 .1 导电高分子材料的概述

1 .2 逾渗现象及理论分析

1 .3 降低逾渗值的方法

1 .4 课题提出和隔离结构CPCs的制备方法

1 .5 导电高分子的外场刺激响应行为

1 .6 本文的研究内容

2 具有隔离导电网络的CB/PP复合材料制备及其液敏性能的研究

2 .1 引言

2 .2 实验过程

2 .3 结果与讨论

2.4 本章小论

3 具有隔离导电网络的CB/PP复合材料温敏性能的研究

3 .1 引言

3 .2 实验过程

3 .3 结果与讨论

3 .4 本章小论

4 导电填料联用对隔离PP基CPCs性能的研究

4 .1 引言

4 .2 实验过程

4 .3 结果与讨论

4 .4 本章小论

5 具有隔离-双逾渗导电网络的石墨烯/UHMWPE/PA6基复合材料性能的研究

5.1 引言

5 .2 实验过程

5 .3 结果与讨论

5 .4 本章小论

6 结论与进一步工作设想

6 .1 结论

6 .2 进一步工作设想

参考文献

个人简历

硕士期间主要参加项目及获奖情况

硕士期间发表的科技论文

致谢