碳基纳米粒子填充聚苯乙烯复合体系的粘弹行为研究

摘要

纳米粒子填充聚合物在生产生活中有着广泛的应用，碳基纳米粒子具有优异的电性能，且本身为刚性，有助于复合材料力学性能的提升，常被用作填料来制备高分子复合材料。影响粒子填充聚合物体系粘弹行为的因素有很多，如填料化学组成、尺寸、形状以及基体种类等。本文试图研究填料拓扑结构对复合体系粘弹行为的影响，选用炭黑(CB)、富勒烯(C60)和多壁碳纳米管(MWCNTs)作为填料，聚苯乙烯(PS)为基体，重点考察三种填充体系的流变行为。 研究表明，CB、C60和MWCNTs三种纳米粒子的加入均使复合体系发生类液-类固转变，粒子含量达到一临界值时，在动态频率扫描测试中储能模量(G')、损耗模量(G")相对频率(ω)曲线的低频区出现“第二平台”，损耗因子（tanδ）曲线出现松弛峰。CB/PS、C60/PS、MWCNTs/PS体系的渗流阈值分别为7％、15％和4％。两相模型能够很好地拟合三个体系的动态流变曲线，表明其线性粘弹行为与高分子本体区域的应变放大效应及填充相松弛密切相关，且填充相的松弛具有填料含量和温度的依赖性。三个体系的应变放大因子大小相近，低填充含量的C60/PS体系的“粒子相”模量和CB/PS体系相近，但高填充含量下则显著小于后者;MWCNTs/PS复合体系在整个浓度区间的“粒子相”模量要高于另两个体系。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)结果直观地呈现了粒子在PS中的分布状态，相近的粒子含量下C60在PS中分散最均匀，其次是CB，MWCNTs在基体中相互搭接聚集的现象最严重。化学组成相同的三种粒子彼此间化学作用力及与基体间化学作用力大小相近，由于其拓扑结构分别为零维、准零维和一维，在同一基体中彼此间距离和与高分子链空间相对分布状态均不同，导致呈现出截然不同的粘弹行为。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 粒子填充聚合物材料的流变行为

1．2．1 概述

1．2．2 高分子粘弹性

1．3 粒子填充聚合物的动态粘弹性

1．3．1 时间-浓度叠加原理

1．3．2 补强效应

1．3．3 两相模型

1．4 课题提出

第二章 炭黑填充聚苯乙烯熔体流变行为

2．1 实验部分

2．1．1 原料

2．1．2 样品制备

2．1．3 测试与表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 CB／PS复合体系动态流变行为的应变依赖性

2．2．2 CB／PS复合体系动态流变行为的频率依赖性

2．2．3 温度对CB／PS复合体系动态粘弹性的影响

2．2．4 两相模型拟合CB／PS复合体系动态流变行为

2．3 本章小结

第三章 富勒烯填充聚苯乙烯体系流变及介电行为

3．1 实验部分

3．1．1 原料

3．1．2 样品制备

3．1．3 测试与表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 C60／PS复合体系动态流交行为的应变依赖性

3．2．2 C60／PS复合体系动态流变行为的频率依赖性

3．2．3 两相模型拟合C60／PS复合体系动态流变行为

3．2．4 C60／PS复合体系的介电特性

3．3 本章小结

第四章 多壁碳纳米管填充聚苯乙烯体系流变及介电行为

4．1 实验部分

4．1．1 原料

4．1．2 样品制备

4．1．3 测试和表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 MWCNTs／PS复合体系动态流变行为的应变依赖性

4．2．2 MWCNTs／PS复合体系动态流变行为的频率依赖性

4．2．3 两相模型拟合MWCNTs／PS复合体系动态流变行为

4．2．4 MWCNTs／PS复合体系的介电特性

4．3 本章小结

第五章 总结论和创新点

5．1 总结论

5．2 创新点

参考文献

在读期间发表的论文

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