环氧树脂基导电复合材料的制备及结构性能研究

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环氧树脂(EP)是最重要的热固性树脂之一,其优异的性能使其在很多领域均有非常广泛的应用。但EP存在质脆等性能缺陷,这限制了EP的发展和应用。碳纳米管(CNTs)独特的微观结构赋予了其优异的力学及电学性能,其在众多领域中具有广泛的潜在应用价值,近年来倍受研究者关注。本文采用溶液共混法和原位聚合法,制备了CNTs/EP导电复合材料,研究了导电复合材料的逾渗行为及其对温度场、应力外场的响应行为。此外,我们还将 CNTs填充到EP和热塑性聚氨酯(TPU)基体中,利用定向冷冻干燥法构建了具有三维树枝状多孔结构的CNTs/EP/TPU导电复合材料,研究了 CNTs/EP/TPU多孔导电复合材料的结构与性能。主要研究成果如下:  1、CNTs/EP导电复合材料的制备及其电性能研究  我们首先利用溶液共混法和原位聚合法制备了 CNTs/EP导电复合材料。该方法有效提高了CNTs在EP基体中的均匀分散程度,以及CNTs与EP基体间的界面结合性,使制得的导电复合材料具有极低的逾渗值(约0.0125 vol%)。  2、CNTs/EP导电复合材料温度-电阻行为的研究  (1)研究了不同终点温度对 CNTs/EP导电复合材料在升降温循环中温度-电阻行为的影响,发现导电复合材料经过一个升温-降温过程之后的室温电阻(Re)与初始的室温电阻(Ro)发生了不同程度的偏离:Re/Ro随终点测试温度的升高而逐渐降低,这是由导电复合材料中波动诱导隧穿导电和滞后效应引起的。  (2)为了进一步探究波动诱导隧穿导电机理,我们研究了不同降温速率对CNTs/EP导电复合材料温度-电阻行为的影响,发现Re/Ro随着终点测试温度的升高而逐渐降低,这是由于新构建的导电网络在较快的降温速率下更容易被保存下来,另外,CNTs在较低的降温速率下也更容易松弛。  3、CNTs/EP导电复合材料应变-电阻行为的研究  (1)首先原位测试了 CNTs/EP导电复合材料在拉伸过程中的应变-电阻行为,发现导电复合材料的响应度随着拉伸应变的增加呈现先增大后减小的趋势,在临界应变(εc)处出现响应度峰值,这是可能由于在εc前,随着拉伸应变的增大,基体中 CNTs连接点数量逐渐减少,即导电网络被破坏造成的;在εc后,即在较大拉伸应变下,基体中CNTs随着基体大分子链发生重排和取向,即新的导电网络形成导致的。  (2)为了研究CNTs/EP导电复合材料响应度的稳定性,并进一步探究导电复合材料在拉伸过程中内部微观结构的演变过程,我们原位测试了在10个循环拉伸过程中,CNTs/EP导电复合材料在不同的拉伸应变下应变-电阻行为的变化,结果表明,在不同的拉伸应变下,复合材料的应变-电阻行为相差较大。在小应变下(2%)复合材料的响应度峰值(max?R/R0)较稳定,这是因为在这个区域内,材料内部的导电网络破坏及重组可逆,即在材料经过拉伸然后回复到所受外力为0时,导电网络可回复到初始状态;在拉伸应变为4%时,max?R/R0随着循环次数的增加呈上升趋势,这是由于复合材料发生了部分不可逆变形,并且在该区域内,导电网络的破坏占主导作用;在大应变(6%或8%)下max?R/R0呈现显著下降的趋势,这可能是大应变使基体内部的导电填料发生重排,从而导致在接下来的循环拉伸过程中,新的导电网络逐渐形成,且它在两种竞争中占主导作用,这种新导电网络的形成在循环后继续累积,从而导致 max?R/R0呈下降趋势。  4、CNTs/EP/TPU多孔导电复合材料的制备及其结构性能研究  (1)我们首先将CNTs功能化改性EP和互穿网络增韧改性EP相结合,利用溶液共混法将CNTs填充在EP/TPU基体中,并利用定向冷冻干燥法构建了多孔结构,最终成功制备了 CNTs/EP/TPU多孔导电复合材料。CNTs在基体中分散均匀。  (2)多孔导电复合材料横向截面上的多孔结构呈树枝状,纵向截面为呈取向趋势的多孔结构;此外,我们研究了多孔导电复合材料的电性能、力学性能、表面疏水性和吸附性能。结果显示,多孔导电复合材料的电性能优异,逾渗值仅为0.088 vol%;通过改变基体的配比可调控复合材料的力学性能;多孔导电复合材料的表面为疏水性,且通过改变CNTs的含量可以控制多孔导电复合材料表面的疏水性;多孔导电复合材料吸附性能优良,且具有良好的重复性。
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