炭黑/聚合物复合材料导电性能与流变学研究

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导电高分子复合材料是将导电填料掺杂到高聚物基体中制得的具有导电性能的复合材料,由于其在电容器、传感器、抗静电复合材料等多个领域有广阔的应用前景,因而日益受到人们的重视。常用的导电填料有很多种类,其中炭黑由于经济适用以及性能稳定一直得到了广泛的关注。然而,如何改善炭黑的分散与分布状态,降低复合材料的导电逾渗阈值,利用剪切流场调控聚合物基体中的导电填料网络结构来调控高分子复合材料的导电性能,以及材料的结构与流变性能之间的内在关系等诸多方面还存在很多科学问题有待解决。本论文制备了内部含有规则平行条带结构的PP/SEBS/CB复合材料,系统地研究不相容聚合物共混体系中炭黑导电网络结构的微观调控,并以此为前提进一步探讨了复合材料的导电性能与流变性能。主要研究如下:1.通过剪切流场诱导零维炭黑(CB)在聚丙烯(PP)/聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)嵌段共聚物(SEBS)不相容聚合物共混物中自组装形成规则的平行炭黑条带结构,从而得到了具有更加显著的导电各向异性的复合薄膜。利用配有光学显微镜的剪切台实时观察并分析剪切诱导过程中炭黑条带的形成与形貌演化过程,显微镜表征结果发现无论是否经过剪切,复合材料内部的炭黑倾向于分布在SEBS相区。同时我们还系统研究了剪切流场诱导形成条带的物理机制。导电测试研究结果表明此聚合物薄膜具有显著地导电各向异性性能,平行于炭黑条带方向的电阻率比垂直于条带方向的电阻率低8个数量级。2.对于PP/SEBS/CB复合材料体系,重点研究了外场因素(剪切板间距、剪切速率、炭黑含量)对条带结构形成的影响规律。随着两板间距离gap数值的增加(150μm-300μm),炭黑条带的宽度变宽、导电性能得到增强,而炭黑条带的长度则先增加后降低;随着rate数值的增加(0.1s-1-0.2s-1),炭黑条带的宽度和导电性能几乎不变,而炭黑条带的长度随之增加;随着炭黑含量的增加(1wt%-2.5wt%),炭黑条带的宽度、长度、导电性能都有增加的趋势。3.为了揭示导电粒子在剪切流场诱导作用下自发形成垂直于流场方向的规则条带结构的内在物理机制,我们开展了流变学相关实验,探究了条带结构的形成与流变性能之间的关系。研究结果表明,随着剪切流场的进行,复合材料中逐渐形成具有明显取向排布的垂直于流场方向的炭黑条带结构,此过程中法向应力差的差(N)从接近于零的数值迅速下降,随后在一定区间内波动,直至趋近于稳定为止。该实验证明了条带结构的形成与负的第一法向应力差的存在有直接的关系。
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