二氧化钒诱导聚合物基复合材料的PTC效应研究

摘要

聚合物基正温度系数(PTC)复合材料，由于其加工成本低廉，使用方便安全等特点被广泛应用在生活中。但就目前的PTC材料而言，也存在很多问题需要解决。例如，室温电阻率较高，重复性较差，这些问题直接制约着PTC复合材料的进一步应用和推广。针对这些问题，本文选择以低密度聚乙烯(LDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)为基体，石墨粉体(Gr)为主要填料粒子，二氧化钒(VO2)为掺杂粒子，鳞片石墨(NFG)为对比填料粒子，通过熔融共混的方法制备出具有一定PTC效应的导电复合材料，通过各种表征，研究讨论了基体，填料粒子和掺杂粒子对复合材料PTC行为的影响。主要研究内容如下：
　　(1)以HDPE作为复合材料的基体，Gr被用作填料粒子，VO2作为第二成分填料，经过熔融共混和热压成型的制备方法，制备出HDPE/Gr/VO2复合材料。再通过对样品进行差示扫描量热(DSC)表征，电阻测试，扫描电子显微镜(SEM),偏光显微镜(POM)表征和动态流变测试。结果表明，在HDPE/Gr/VO2体系中，随着VO2的增加，体系的室温电阻率明显下降。主要是由于VO2的增加，使非晶相中Gr粒子的密集程度增大，有利于导电链的形成。且当VO2含量为6wt%时，出现双PTC效应，双PTC效应出现的温度在VO2的相转变温度和HDPE的熔融温度附近，此时复合物体系的PTC强度(PTCI)最大(PTCI=4.06)。这说明VO2的引入是诱导双PTC效应的直接原因；
　　(2)以LDPE和PP作为复合材料的双基体，Gr作为导电填料粒子，通过调节掺杂的第二成分VO2在复合体系中的含量，探究VO2对LDPE/PP(4/1)/Gr/VO2复合材料PTC行为的影响。实验结果表明，在LDPE/PP(4/1)/Gr/VO2复合材料中，VO2含量越多，室温电阻越低。通过SEM图分析，VO2优先分布在LDPE和PP的界面上，但随着VO2的增多，将部分分布于界面上的Gr排挤到LDPE相中，进而LDPE相中的Gr浓度增大，导电链增加，室温电阻下降。通过能谱仪(EDS)表征，证实了Gr和VO2的分布状态。而调和均值方程与几何均值方程从理论上进一步验证了粒子的分布情况。从X射线衍射(XRD)谱图中得到的结果表明，Gr粒子和VO2的加入，妨碍了PP晶体的生长，抑制了PP的结晶，导致在XRD图上，PP的结晶峰较弱。聚合物的结晶相变化直接影响着整个体系的PTC行为。另一方面，对复合材料进行动态机械(DMA)测试，分析得出，随VO2含量增加，体系的储能模量增加，损耗因子降低。这是由于更多的VO2吸附在基体上，增强了高分子链与粒子间的作用力传递，提高了体系的刚度。而且部分高分子链段可能穿插在VO2晶体内部，从而限制了高分子链的运动，进而储能模量增大。当VO2含量为8wt%时，复合体系的PTC强度最大。
　　(3)在HDPE/PP(1/1)/NFG-Gr和HDPE/PP(1/1)/NFG复合体系中，通过体系的电阻测试，结果表明，这两个体系的室温电阻值很接近，并没有因鳞片石墨(NFG)含量不同发生巨大变化，且PTC现象较为明显，变化趋势相似，但HDPE/PP(1/1)/NFG的PTC转折温度延后。用动态流变仪测试体系的复合粘度，结果表明，两种复合材料的复合粘度变化趋势和粘度值很相似，这说明NFG的含量变化对材料复合粘度的影响不大。对复合体系进行动态流变行为测试，实验数据表明，HDPE/PP(1/1)/NFG体系的储能模量较大，损耗因子较小。这是由于在HDPE/PP(1/1)/NFG体系中，NFG的含量高，由于NFG的长径比较大，NFG与基体间的作用力强，易与高分子链缠结，更多的鳞片石墨建立的导电链越不易断裂，因此在相同条件下，需要更高的温度,体系才能出现PTC现象，即，PTC转折温度升高。通过偏光显微镜(POM)的表征，观测粒子在基体上的形态和结晶状况，HDPE/PP(1/1)/NFG的POM图显示，NFG的晶体亮度低于HDPE/PP(1/1)/NFG-Gr中的晶体亮度，以此证实，NFG与基体之间的粘附性比Gr与基体之间的粘附性强，这也进一步验证了在HDPE/PP(1/1)/NFG中，PTC转折温度较高。

目录

声明

符号说明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2聚合物基复合导电材料的导电理论

1.3影响聚合物基复合导电材料PTC效应的因素

1.4聚合物基复合导电材料的稳定性

1.5聚合物基复合导电材料的应用

1.6聚合物基 PTC 复合材料的研究进展及发展趋势

1.7本课题研究的内容和意义

第2章 高密度聚乙烯/石墨/二氧化钒复合体系PTC行为的探究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第3章 低密度聚乙烯/聚丙烯/石墨/二氧化钒复合体系PTC行为的研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.3本章小结

第4章 不同种类石墨对高密度聚乙烯/聚丙烯/石墨的PTC行为研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

在学期间所发表的文章