炭黑和碳管共填充聚合物基复合材料的制备和PTC性能研究

摘要

Positive Temperature Coefficient(PTC)材料是一种功能材料，具有重要的理论研究价值和广阔的应用价值。聚合物基PTC材料价格便宜，加工成型简单，同时又具有聚合物的优异性能，因而日益受到人们的重视。碳纳米管由于其所具有的电学、力学等性能，受到了广泛的关注，是材料领域最前沿的研究领域之一。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)以及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)两种不相容聚合物为基体，用炭黑(CB)和多壁碳纳米管(MWNT)双填料共填充。采用熔融共混加工工艺制备PTC功能复合材料。对复合材料的形态，PTC性能和介电性能进行了系统的研究；并进一步研究了MWNT和CB共填充网络结构对复合材料动态力学性能的影响。主要进行了以下几个方面的研究工作：
　　 (1)采用钛酸酯偶联剂(NDZ-102)分别对CB和MWNT进行表面改性，研究了改性后导电填料在聚合物中的分散行为以及复合材料的电性能。偶联剂能够在填料和基体间起到联接作用，有效改善两者间的结合性。尤其是钛酸酯偶联剂在填料表面形成单分子层从而提高了能填料和基体之间的界面强度。
　　 (2)通过CB填充不相容PVDF和UHMWPE聚合物基体，研究了二元聚合物基复合材料的形态结构以及电性能。结果表明渗流阈值低于单一聚合物基体，且最低渗流阈值出现在两相聚合物体积比接近1/1的情形，主要归因于填料在两相基体中的选择性分布。通过对复合材料微观结构的观察以及从理论上分析和证实了CB的选择性分布特征。
　　 (3)同时将CB和MWNT与聚合物共混，研究了双填料构成的导电网络结构对复合材料的PTC性能和介电性能的影响。MWNT提供远程导电，而CB提供近程导电从而提高了聚合物的导电性。由于MWNT可认为是由众多碳粒子紧密排列组成的稳固的刚性导电链结构，较CB来说，在聚合物熔融过程中重聚移动性较差；MWNT具有一定的长径比，有阻碍聚合物链运动的作用，导致体系有更高的粘度；同时要破坏MWNT形成的长程导电通路，需要较大的聚合物体积膨胀，因此适量MWNT的加入，提高了PTC强度(PTCI)和PTC重复稳定性，降低了Negative Temperature Coefficient(NTC)效应。同时结合复合材料的热性能(DSC)对PTC性能进行了解释。
　　 (4)研究了复合材料中(CB-MWNT)网络结构对体系动态力学性能的影响。体系中加入适量的MWNT后，粘性下降，损耗因子(tanδ)变小，MWNT起到了一定的增强作用。MWNT使得复合材料的软化温度提高，在软化温度附近，损耗模量和储能模量急剧下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2复合材料导电的逾渗及双逾渗理论

1.2.1逾渗理论

1.2.2双逾渗理论

1.3聚合物基导电复合材料的PTC效应

1.3.1电阻-温度曲线

1.3.2功率-温度曲线

1.3.3伏安特性曲线

1.3.4有机PTC材料的控温原理

1.4 PTC效应的机理研究

1.4.1导电链与热膨胀模型

1.4.2聚集态结构变化及炭粒迁移模型

1.4.3隧道效应模型

1.4.4欧姆导电效应理论

1.4.5应力理论

1.4.6双临界物理模型(BCP模型)

1.4.7电场发射理论

1.5提高PTC效应的方法

1.5.1降低渗流阈值及室温电阻率

1.5.2提高PTC强度

1.5.3提高PTC稳定性

1.5.4减弱或消除NTC现象

1.6 PTC材料的研究现状

1.7 PTC材料的应用

1.7.1用作起动元件与消磁元件

1.7.2用作加热元件和恒温元件

1.7.3用作保护元件和控温元件

1.7.4作温度补偿用

1.8论文的研究意义及主要内容

第二章复合材料的制备与测试

2.1实验原料的选择

2.1.1基体相的选择

2.1.2填料粒子的选择

2.2实验仪器和设备

2.3实验流程

2.4材料的制备

2.4.1填料粒子的改性

2.4.2熔融共混法制备复合材料

2.5复合材料性能测试

2.5.1电阻测试

2.5.2微观形貌观察

2.5.3热性能(DSC)分析

2.5.4动态力学性能测试

第三章CB在两相基体中的分布及其复合材料电性能研究

3.1前言

3.2结果与讨论

3.2.1透射电镜(TEM)研究填料粒子的聚集态

3.2.2填料粒子改性后复合材料的SEM形貌分析

3.2.3基体PVDF和UHMWPE最佳体积比的确定

3.2.4 CB粒子在两相基体中的微观分布

3.2.3单一基体和双基体复合材料渗流阈值的研究

3.3本章小结

第四章CB-NWNT导电网络对复合材料PTC稳定性及交流电导率的影响

4.1前言

4.2结果与讨论

4.2.1复合材料PTC性能研究

4.2.2复合材料PTC循环性能研究

4.2.3复合材料升降温循环过程PTC性能和热性能研究

4.2.4 NWNT对复合材料交流电导率的影响

4.3本章小结

第五章(CB-NWNT)／聚合物复合材料的动态力学性能

5.1引言

5.2结果与讨论

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文