基于增强导电型竹炭/聚丙烯复合材料的性能研究

摘要

竹炭是一种多孔性生物炭材料，具有一定的导电性能，可应用于防静电、屏蔽等方面。本文以竹炭为主要原材料，聚丙烯为基体通过熔融共混、注塑成型的方法制备BC/PP复合材料，采用数字绝缘电阻仪、四探针电阻仪、电磁屏蔽仪、万能试验机、扫描电子显微镜、差式扫描量热仪等仪器，探究竹炭含量、竹炭粒径、添加碳纤维、多壁碳纳米管、多层石墨烯三种导电剂以及添加碳纤维/多壁碳纳米管、多层石墨烯/多壁碳纳米管两种复合导电剂这四个方面对BC/PP复合材料的体积电阻率、电磁屏蔽性能、力学性能、热学性能等方面进行分析。其主要结果如下：　　（1）竹炭添加量对BC/PP复合材料的性能影响。研究发现竹炭的加入可显著地降低复合材料的体积电阻率，尤其竹炭添加量大于30%后，体积电阻率的下降趋势尤为明显，当含量为60%时，体积电阻率达到最低为1.928×108Ω·cm。电磁屏蔽性能在30～1000MHz的频率范围内，也随着竹炭含量的增长有所增强，但效果并不十分明显。在力学性能上，少量的竹炭添加也可以提高复合材料的性能，以10%为界点，之后随着含量的增长，力学性能逐渐下滑。除此之外，竹炭的引入也可以提高复合材料的热学性能，竹炭含量越多热学效果越好。根据以上试验数据分析，竹炭添加量为50%，BC/PP复合材料既满足使用需求又具备较优异的导电性能。　　（2）竹炭粒径（60～200目）对BC/PP复合材料的性能影响研究。发现不同粒径对BC/PP复合材料的体积电阻率、电磁屏蔽性能、力学性能等均有一定的影响。经结果发现，粒径在200目时，BC/PP复合材料的体积电阻率、电磁屏蔽效能、力学性能、热学性能都达到最佳。　　（3）添加ao-CF、p-f-MWCNTs、s-MLG三种导电剂对BC/PP复合材料的性能影响研究。发现三种导电剂经处理后均具有良好的分散作用，加入到BC/PP中可以极大降低复合材料的体积电阻率，其中p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料的体积电阻率在相同导电剂含量下数值最小，导电性能最优，电磁屏蔽性能也得出相应的结果。导电剂的添加对三种复合材料的静态、动态力学性能均有一定的提高，相比下ao-CF/BC/PP复合材料的性能更为优异。对于热学性能，三种复合材料中s-MLG/BC/PP复合材料的性能最为理想。但经综合分析，p-f-MWCNTs含量为3%时，p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料既具有优异的导电性能，同时又满足力学性能等方面的要求。　　（4）添加ao-CF/p-f-MWCNTs、s-MLG/p-f-MWCNTs两种混合导电剂分别对BC/PP复合材料的性能影响。结果发现两种导电剂混合添加仍能降低复合材料的体积电阻率，其中s-MLG/p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料的体积电阻率无论在任何含量下均远远低于ao-CF/p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料的电阻率。在电磁屏蔽性能方面，ao-CF/p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料的屏蔽效果也相对较好。在静态力学方面，ao-CF/p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料和s-MLG/p-f-MWCNTs/BC/PP复合材料的强度相差不大，微量的ao-CF、s-MLG引入均可以提高两种复合材料的力学性能。对于动态力学性能和热学性能，复合导电剂的添加既可以改善复合材料的刚性和硬度，同时也增强复合材料的热学性能。

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