碳纤维填充聚合物多组分导电高分子复合材料的研究

摘要

在降低导电填料含量提高导电复合材料加工性能的同时，如何保持甚至提高复合材料的导电性以及电学稳定性是目前导电高分子复合材料研究的重点和难点。本文从降低导电复合材料渗流阈值，提高复合材料电学稳定性出发，对碳纤维填充聚合物的多组分导电高分子复合材料的电学性能及电性能稳定性等方面进行了初步研究。主要研究内容包括：
　　 ⑴选用不相容的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和高密度聚乙烯(HDPE)的共混物为基体，分别以卷曲状的碳纳米纤维（CNF）与普通炭黑(CB)的共混物，长直状的气相碳纤维(VGCF)与科琴黑（Ketjen black，KB）的共混物为导电填料，制备了PMMA/HDPE/CB/CNF和PMMA/HDPE/KB/VGCF四组分的导电高分子复合材料。在两种体系中，PMMA的含量都远大于HDPE的含量。
　　 ⑵在PMMA/HDPE/CB/CNF导电复合材料中，扫描电镜照片显示CB和CNF选择性分布在HDPE相中，形成了独特的微观网络结构。与PMMA单基体和PMMA/HDPE双基体等其他体系相比，该体系的渗流阈值更低，导电性更好。CNF和CB粒子在PMMA/HDPE中实现了协同导电。相对于其他体系，该体系有效提升了材料的正温度系数效应(PTC)强度并降低了负温度系数效应(NTC)强度，同时提高了材料的电性能稳定性。
　　 ⑶在PMMA/HDPE/KB/VGCF导电复合材料中，KB粒子选择性分布在HDPE分散相中，VGCF之间相互搭接。导电填料在热力学作用下，自组装形成类似“脚手架”的微观导电网络结构。与PMMA其他复合材料导电体系相比，PMMA/HDPE/KB/VGCF的渗流阈值最小（仅为1.3wt％）。在渗流转变区间，同等导电填料总含量下，PMMA/HDPE/KB/VGCF导电复合材料的电阻率更低。KB粒子和VGCF在PMMA/HDPE/KB/VGCF导电复合材料体系中同样实现了协同导电。
　　 ⑷以十二烷基苯磺酸(DBSA)作为添加剂，与低密度聚乙烯(LDPE)、碳纤维(CF)/聚苯胺(PANI)混合填料熔融共混，制备了LDPE/PANI/CF三组分的导电复合材料。并研究了DBSA的加入对导电复合材料微观形貌的影响。并通过与不添加DBSA的导电复合材料相比较，讨论了DBSA对LDPE/PANI/CF导电复合材料在室温电阻率以及电阻-温度循环稳定性方面的影响。

目录

文摘

英文文摘

致谢

缩写及符号

第1章 绪论

1.1 前言

1.1.1 研究背景

1.1.2 导电高分子复合材料的特点

1.1.3 导电高分子复合材料的应用领域

1.2 导电填料的选择

1.2.1 碳系导电填料

1.2.2 金属导电填料

1.2.3 导电聚合物填料

1.3 聚合物基体的选择

1.3.1 单基体聚合物

1.3.2 双基体聚合物

1.3.3 三基体聚合物

1.4 导电高分子复合材料导电机理

1.4.1 导电网络的形成

1.4.2 载流子的传输机制

1.5 导电高分子复合材料电阻-温度行为

1.6 课题的提出及研究内容

参考文献

第2章 CB/CNF在PMMA/HDPE双基体中的协同导电效应

2.1 前言

2.2 实验

2.2.1 原料

2.2.2 试样制备

2.2.3 性能测试及形貌观察

2.3 结果与讨论

2.3.1 相结构

2.3.2 导电网络

2.3.3 渗流阈值

2.3.4 电阻-温度特性

2.4 本章小结

参考文献

第3章 KB/VGCF在PMMA/HDPE双基体中的协同导电效应

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 原料

3.2.2 试样制备

3.2.3 性能测试及形貌观察

3.3 结果与讨论

3.3.1 导电填料分布

3.3.2 导电网络

3.3.3 渗流阈值

3.3.4 电阻-温度特性

3.4 结论

参考文献

第4章 DBSA对LDPE/CF/PANI复合材料电学性能的影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 试样制备

4.2.3 测试表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 DBSA对导电复合材料形貌的影响

4.3.2 DBSA对导电复合材料室温电阻的影响

4.3.3 DBSA对导电复合材料阻温行为的影响

4.3.4 DBSA对导电复合材料稳定性的影响

4.4 本章小结

参考文献

第5章 结论

攻读硕士期间撰写的论文及专利

作者简介