导电高分子复合材料的导电粒子可控分布及形态调控研究

来源 :西南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:YUZHOU2010
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导电高分子复合材料由于其优异的电学、力学和成型加工性而备受关注。制备性能优异的导电高分子复合材料的关键在于在低导电粒子含量下实现高导电性。但是,对于常规的填料分散,由于空间效应往往需要很高的添加量才能形成导电网络;并且由于导电填料的随机分布,使得材料的导电性能在各个方向并无差别,这很大程度的限制了导电高分子复合材料的使用范围。因此,有效的导电填料分布将决定复合材料最终的导电性能。本文重点从导电填料分布的角度和形态调控出发,旨在调节导电填料在高分子基体中的有效分布,构建高效且具有各向异性的导电网络。为了解决以上问题,本文通过构建隔离结构、磁场对磁性粒子的取向排列来有效地控制导电填料在高分子基体中的分布,通过形态调控的方法设计了不同形态结构的导电复合材料,降低了材料的导电逾渗值,并且使其具有各向异性导电。主要内容包括以下几个方面:(1)通过在聚乳酸/聚己内酯/多壁碳纳米管(PLLA/PCL/MWCNTs)复合材料组装形成具有隔离结构的导电网络,降低导电复合材料的逾渗阈值。首先,将MWCNTs分散在PCL中以获得PCL/MWCNTs母料。其次,将此母料在100℃下良好地涂覆在PLLA颗粒上。最后,将包覆的PLLA颗粒模压成型以形成隔离结构。形貌观察显示MWCNTs只分散在连续PCL相中,这种结构使其拥有0.0085wt%MWCNTs的超低逾渗阈值。并且在仅含0.05wt%的MWCNTs的复合材料中实现了3.84×10-4 S/m的高电导率。此外,具有隔离结构的复合材料不仅比相应的常规复合材料具有高10%的杨氏模量,而且保持了高的断裂伸长率和拉伸强度。(2)通过磁场诱导磁性纳米粒子定向排列自组织调控等规聚丙烯(iPP)/线性低密度聚乙烯(LLDPE)共混物的形态结构。首先,将氧化铁(Fe3O4)与LLDPE熔融共混形成LLDPE+Fe3O4母料;其次,将此母料与iPP熔融混合形成具有随机分布的LLDPE+Fe3O4“岛结构”的iPP/(LLDPE+Fe3O4)复合材料。最后,将随机分布的复合材料在低磁场中进行磁场处理,从而诱导LLDPE“岛结构”相互聚结形成“带状结构”。结果表明,具有平行“带状结构”的复合材料的屈服强度,杨氏模量和储能模量均高于具有“岛结构”的复合材料。由于界面滑移,具有“带状结构”的样品的复数粘度低于具有“岛结构”的样品。(3)利用磁性粒子在磁场作用下的定向排列来实现各向异性的导电网络。首先将PCL与纳米镍颗粒(Ni)熔融共混,然后将其在100℃下包裹在PLLA/MWCNTs颗粒表面,再将包裹有Ni/PCL的PLLA/MWCNTs颗粒在190℃下热压形成隔离结构;最后将具有隔离结构复合材料在低磁场中100℃下处理30min。结果表明,磁场处理后,不同方向的导电性能展现出有很大的差异。当导电测试方向与磁场处理方向平行时,样品的导电性能明显好于与磁场垂直的方向,如当加入4.5wt%的纳米镍时,平行方向的电导率为1.28x10-3S/m,而垂直方向的电导率为4.76x10-9S/m,相差了大约6个数量级,表现出明显的各向异性导电性能。对于非隔离的体系,在相同镍含量和磁场处理条件下,未表现出导电各向异性,说明导电各向异性与隔离结构和磁场排列有关。
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