炭黑/聚丙烯导电复合材料的电性能和形态研究

摘要

本论文以聚丙烯(PP)为基体，以炭黑(CB)为导电填料，利用熔融共混的方法制备聚丙烯导电复合材料。重点研究了引入第三组分乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)，尼龙6(PA6)及碳纳米管(CNTs)对CB/PP体系的电性能及结构形态的影响。详细讨论了CB粒子的分散状况、复合材料的微观结构形态、结晶行为以及环境温度的改变与复合材料电性能之间的关系，探讨了其机理。主要研究结果如下： (1)室温电性能测试结果表明：在CB/PP体系中加入第三组分EAA或PA6，复合材料的体积电阻率显著下降。当PP/EAA质量比为60/40的时候，材料的导电性能最佳。PP/PA6质量比为80/20时体系电阻率下降最明显。采用CB/CNTs(质量比19：1)复合填料填充PP得到的电性能要优于单独填充其中一种导电填料。 (2)SEM观察发现：在CB/PP体系中，CB粒子均匀分散在PP基体中，但是在较小的炭黑含量下，很多地方未形成连续分布。在CB/PP-EAA和CB/PP-PA6体系中，CB选择性地分散于EAA或PA6相中，在PP中的含量很少。在CB/PP-EAA体系中，EAA呈条状伸长结构分散在PP中，并且随着EAA含量的增加，伸长结构之间更易形成连续的导电通路。在CB/PP-PA6体系中，PA6相在PP基体中能够形成纤维状伸长结构，并且纤维之间大部分能形成相互搭接的连续结构。 (3)阻-温关系测试表明：CB/PP复合材料的PTC强度达6个数量级，并且NTC效应也非常明显。复合材料的PTC行为与材料的结晶熔融过程密切相关。在升温过程中，CB/PP-EAA体系没有产生明显的电阻率突跃，合材料出现最大电阻率的峰是由EAA产生的。CB/PP-PA6体系没有产生PTC效应，体系在较宽的温度范围内具有非常稳定的电阻率值，并具有较好的热循环稳定性。这进一步说明了CB是选择性分散在EAA或PA6相中的。 (4)DSC结果表明：由于CB粒子的异相成核效应，填充一定量CB使EAA、PP的结晶温度均向高温方向移动12℃左右。CB/PP-EAA体系中PP的结晶温度相对CB/PP体系降低了7℃左右，EAA的结晶度下降。说明在双基体体系中，CB对PP结晶的成核作用减小，对EAA的结晶起一定的阻碍作用，因此可以推测CB主要分散在EAA相里，在PP中含量较少。 (5)动态流变测试表明：在CB/PP体系中，随着CB含量的增加，G′对ω的依赖性逐渐降低，当炭黑体积含量ω>0.05时，出现了“第二平台”，表明CB粒子与PP基体之间相互作用，形成了网络结构。当ω=0.025时，在低频区，随着CB/PP-EAA体系中EAA含量的增加，复合体系的G′增加，而CB填充PP/EAA(60/40)体系的G′值高于CB填充PP/EAA(50/50)体系。复合材料的流变行为与材料的电性能及SEM形貌结果密切相关。随着EAA含量增加，CB/PP-EAA体系的粘度降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1简介

1.1.2高分子导电材料的分类

1.1.3复合型高分子导电材料的分类

1.1.4复合型高分子导电材料的组成及其对电性能的影响

1.1.5复合型高分子导电材料的导电机理

1.1.6高分子导电复合材料的阻温特性

1.1.7复合型高分子导电材料的研究现状

1.1.8复合型高分子导电材料的研究进展

1.2本论文的研究目的和研究内容

1.2.1研究目的和思路

1.2.2主要内容

第二章实验部分

2.1主要原料

2.2样品的制备

2.3样品的测试与表征

第三章复合材料的导电性能

3.1结果与讨论

3.1.1炭黑含量和基体配比对炭黑/聚丙烯-EAA复合材料电性能的影响

3.1.2炭黑含量和基体配比对炭黑/聚丙烯-PA6复合材料电性能的影响

3.1.3添加CNTs对炭黑/聚丙烯复合材料电性能的影响

3.2小结

第四章复合材料的形态结构对导电性能的影响

4.1结果与讨论

4.1.1炭黑/聚丙烯复合材料的形态结构对导电性能的影响

4.1.2炭黑/聚丙烯-EAA复合材料的形态结构对导电性能的影响

4.1.3炭黑/聚丙烯-PA6复合材料的形态结构对导电性能的影响

4.2小结

第五章复合材料的电阻-温度特性

5.1结果与讨论

5.1.1炭黑/聚丙烯导电复合材料的电阻-温度特性

5.1.2 EAA树脂对复合材料电阻-温度特性的影响

5.1.3 PA6对复合材料电阻-温度特性的影响

5.1.4 CNTs对复合材料电阻-温度特性的影响

5.2小结

第六章复合材料的结晶行为

6.1结果与讨论

6.1.1炭黑和EAA树脂对复合材料结晶行为的影响

6.1.2 PA6对复合材料结晶行为的影响

6.1.3 CNTs对复合材料结晶行为的影响

6.2结论

第七章复合材料的动态流变行为

7.1结果与讨论

7.1.1炭黑/聚丙烯复合体系的动态流变行为

7.1.2炭黑/聚丙烯-EAA复合体系的动态流变行为

7.2小结

第八章结论

参考文献

附录

致谢