聚偏氟乙烯/CB导电复合材料的构筑及PTC性能研究

摘要

正温度系数（PTC）材料是指对温度具有响应性的一类材料，其电阻率随着温度的升高逐渐增大，并在材料的特征转变点温度附近迅速增大3-8个数量级。在实际应用中，PTC材料不仅需要具备较高的PTC强度，同时其还具有较低的逾渗值，而且电阻随温度的变化具有高重复性。聚偏氟乙烯（PVDF）由于具有高的熔融温度、高机械强度和良好的耐化学性等特性，是制备聚合物基PTC材料较为理想的基体，但PVDF基PTC材料存在逾渗值较高、PTC强度低等问题。 本文以PVDF为基体，从导电填料的选择、隔离结构和隔离-双逾渗结构的构建出发，设计制备了PVDF基导电复合材料，并研究了复合材料的PTC性能和逾渗行为，主要内容包括以下几个方面： （1）以PVDF作为复合材料的基体，两种不同比表面积的导电炭黑（VXC-72型和乙炔炭黑）作为导电填料，经过熔融共混和模压成型的制备方法，制备出PVDF/CB导电复合材料。研究了炭黑比表面积对PVDF基导电复合材料逾渗行为和PTC性能的影响，结果表明增大导电炭黑的比表面积有利于降低PVDF基导电复合材料的逾渗值和改善PTC性能。进一步分析了复合材料中炭黑含量对PTC强度的影响，发现在炭黑用量略高于逾渗值时，可以获得最大的PTC强度。根据上述研究确定了具有较大比表面积的VXC-72作为本论文后续工作所用原料，并对PVDF/VXC-72导电复合材料的形态结构、流变性能和力学性能进行了研究。 （2）通过在聚偏氟乙烯中构建隔离结构的炭黑导电网络，降低复合材料的逾渗值。首先利用机械共混法混合PVDF粒料和炭黑粒子，使得炭黑粒子分布在PVDF颗粒表面，得到PVDF/CB混料，之后结合热压工艺制备逾渗值较低的隔离结构PVDF/CB导电复合材料。研究了PVDF粒料尺寸对所制复合材料的逾渗行为、热性能和PTC性能的影响，结果表明增大PVDF粒料的尺寸，有利于获得较低的逾渗值和较高的PTC强度，另外对所制材料的结晶特性及微观结果进行研究表明，由于大粒径PVDF颗粒的结晶度高，导电炭黑只分布在连续的非晶区，因此形成连续的导电网络所需炭黑的含量低，逾渗值低；并且大粒径PVDF熔融引起的体积膨胀比小粒径的大，对导电网络的破坏性大，相比小粒径PVDF基导电复合材料而言具有较高的PTC强度。 （3）为了进一步降低逾渗值和提高PTC强度，本论文利用聚偏氟乙烯（PVDF）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）熔点之间的差异，以纳米级的PVDF粉体、LLDPE和导电炭黑（CB）为原料，在高于LLDPE熔融温度（120℃）但低于PVDF熔融温度（160℃）的条件下，通过简单的熔融共混成功制备了具有“隔离-双逾渗”结构的PVDF/LLDPE/CB导电复合材料。首先使用低熔点的LLDPE作为CB载体，制得LLDPE/CB母料，再利用LLDPE熔点远低于PVDF熔点的特点，将LLDPE/CB母料与PVDF粉体135℃熔融共混，在此温度下，LLDPE是熔体，而PVDF仍可保持颗粒状，从而将可流动的熔体状LLDPE/CB包裹于PVDF颗粒表面，制备了低逾渗值（2.299wt%）的PVDF/LLDPE/CB复合材料。所得到的复合材料具有显著的正温度系数（PTC）效应，温度上升到LLDPE熔点附近时，电阻率对温度变化敏感，升高了4个数量级，而且经过多次热循环之后，PTC重复性较好。这种复合材料可以用作温度传感器电阻，在温度过载保护领域有潜在的应用。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2聚合物PTC材料简介

1.2.1聚合物PTC材料的组成

1.2.2聚合物PTC材料的导电机理

1.2.3 PTC效应模型

1.3 PTC效应的研究重点

1.3.1提高PTC强度

1.3.2提高PTC稳定性

1.3.3减弱NTC效应

1.3.4降低逾渗值

1.4选题的目的及意义

第二章 炭黑对PVDF基导电复合材料结构及性能的影响

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原材料及实验试剂

2.2.2实验设备

2.2.4 PVDF基导电复合材料的结构表征与性能测试

2.3实验结果及讨论

2.3.1炭黑物性和用量对室温电阻率的影响

2.3.2炭黑物性和用量对PTC性能的影响

2.3.3 PVDF/VXC-72导电复合材料的结构

2.3.4 PVDF/VXC-72导电复合材料的流变性能

2.3.5 PVDF/VXC-72导电复合材料的机械性能

2.4小结

第三章 隔离结构PVDF/CB导电复合材料的构筑及PTC性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验原材料及实验试剂

3.2.2实验设备

3.2.3隔离结构小粒径PVDF/CB导电复合材料的制备

3.2.4大粒径PVDF颗粒的制备及导电复合材料的制备

3.2.5隔离结构导电复合材料的结构表征与性能测试

3.3实验结果及讨论

3.3.1隔离结构小粒径PVDF/CB导电复合材料形态结构

3.3.2隔离结构小粒径PVDF/CB导电复合材料逾渗行为

3.3.3隔离结构小粒径PVDF/CB导电复合材料PTC性能

3.3.4隔离结构大粒径PVDF/CB导电复合材料形态结构

3.3.5大小粒径PVDF热行为

3.3.6隔离结构大粒径PVDF/CB导电复合材料PTC性能

3.4小结

第四章 具有隔离-双逾渗结构的PVDF/LLDPE/CB导电复合材料的构筑及PTC性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1实验原材料及实验试剂

4.2.2实验设备

4.2.3具有“隔离-双逾渗”结构PVDF/LLDPE/CB复合材料的制备

4.2.4传统PVDF/LLDPE/CB复合材料的制备

4.2.5 PVDF/LLDPE/CB复合材料的结构表征与性能测试

4.3实验结果及讨论

4.3.1 PVDF/LLDPE/CB复合材料的逾渗行为

4.3.2 PVDF/LLDPE/CB复合材料的形态结构

4.3.3 PVDF/LLDPE/CB复合材料的晶型转变

4.3.4 PVDF/LLDPE/CB复合材料的热行为

4.3.5 PVDF/LLDPE/CB复合材料的PTC性能

4.4小结

结论

参考文献

致谢

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