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碳系填料填充PVDF复合材料结构与性能研究

作　者: 王林
导　师: 姜力强；张诚
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: 碳系填料 复合材料 电性能 动态流变性能 动态机械性能 导电网络形成动力学
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


本论文以聚偏氟乙烯（PVDF）为基体,采用多种碳系材料（碳黑（CB）、气相生长碳纤维（VGCF）和多壁碳纳米管（MWNT））作为导电填料,系统地研究了填料形态结构对聚合物基复合材料的电性能、动态流变性能和动态机械性能的影响,并利用in-situ测量技术研究了碳系填料填充复合材料导电网络形成的动力学过程。研究的重点是填料形态与复合体系流变性能对导电网络形成的影响,并建立复合体系导电网络形成的热力学渗流模型。碳系填料填充PVDF复合材料的室温电性能都呈现明显的渗流现象。PVDF/MWNT体系的渗流阈值仅为1.75 phr MWNT,远小于其它复合体系,MWNT具有较大的长径比是重要原因。复合体系渗流阈值随PVDF粘度的减小而降低,这是因为分子量低的聚合物能够容易的与填料粒子表面形成聚合物/填料键合层,使填料有效地分散。对于高结构碳黑（HCB）填充PVDF体系,储能模量G’和复数粘度η*随HCB含量的增加而增大。在低频区域,η*出现牛顿平台,当HCB含量大于6 phr时,η*发生突变,出现流变渗流现象,并且当HCB含量大于6 phr时,低频区域G’对ω不敏感,出现似固体行为。产生上述现象都是由于填料在体系内部形成了网络结构。将导电填料含量小于渗流阈值的复合体系在高于基体熔点的温度下进行等温热处理,体系的电阻率在达到某一临界时间时会迅速下降,这一现象称为动态渗流,其临界时间称为渗流时间（tp）。SEM图证实各体系电阻率的减小与导电粒子的聚集和接触并逐步形成导电网络有关。PVDF/LCB、PVDF/HCB、PVDF/VGCF和PVDF/s-MWNT体系形成导电网络的活化能（Ec）分别为65、71、144和60 kJ/mol。与纯PVDF零剪切速率粘度活化能(Eηo)相比,Ec更接近于填充体系的零剪切速率粘度活化能（Eη）。这是因为填充体系粘度和形成导电网络都与聚合物的流动性及填料与聚合物分子之间相互作用力有关。经过等温热处理再自然冷却到室温后的复合材料电阻率从1014Ω·cm下降到107Ω·cm,热处理过程中导电填料形成的导电网络结构保留了下来。用参与导电网络形成的填料百分数P（t）计算出导电粒子聚集速率S（t）与热处理时间t的关系式,从理论上证实随着温度的升高,填充体系的渗流时间将减少。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章 绪论  12-31
  前言  12
  1.1 导电高分子复合材料导电机理  12-19
    1.1.1 渗流理论与渗流阈值  13-15
    1.1.2 有效介质理论  15-16
    1.1.3 导电通道理论  16
    1.1.4 隧道效应理论与场致发射理论  16-17
    1.1.5 动态渗流理论  17-19
  1.2 碳系导电填料  19-24
    1.2.1 碳黑  19-20
    1.2.2 石墨  20-21
    1.2.3 碳纤维  21-22
    1.2.4 碳纳米管  22-24
  1.3 聚合物基体  24-25
  1.4 碳系填料在聚合物中的分散与分布  25-26
  1.5 导电高分子复合材料制备工艺  26-27
  1.6 导电高分子复合材料的应用  27-31
    1.6.1 抗静电和导电材料  27-28
    1.6.2 自控温发热材料  28-29
    1.6.3 压敏导电胶  29
    1.6.4 气敏传感材料  29-30
    1.6.5 电磁波屏蔽材料  30-31
第二章 课题的提出  31-34
  2.1 课题的提出及研究背景  31-33
  2.2 研究内容  33-34
第三章 实验部分  34-39
  3.1 实验原料及性能  34-35
  3.2 实验仪器  35
  3.3 实验流程  35-36
  3.4 试样制备  36
  3.5 试样性能测试  36-39
    3.5.1 电阻测试  36-38
    3.5.2 DMA测试  38
    3.5.3 ARES测试  38
    3.5.4 毛细管流变测试  38
    3.5.5 热重分析  38
    3.5.6 SEM形貌观察  38-39
第四章 碳系导电填料填充 PVDF体系的电性能研究  39-47
  4.1 填料种类和含量对复合材料电性能的影响  39-42
  4.2 填料形态结构对复合材料电性能的影响  42-43
  4.3 基体粘度与复合材料电性能的关系  43-44
  4.4 基体种类对复合材料电性能的影响  44-46
  4.5 本章小节  46-47
第五章 碳系填料填充 PVDF体系动态流变性能与动态机械性能研究  47-59
  5.1 碳系填料填充 PVDF体系动态流变性能  47-53
    5.1.1 填料含量对体系动态流变性能的影响  47-49
    5.1.2 填料种类对体系动态流变性能的影响  49-51
    5.1.3 零剪切速率粘流活化能  51-53
  5.2 碳系填料填充 PVDF体系动态机械性能  53-57
  5.3 本章小节  57-59
第六章 碳系填料填充 PVDF体系导电网络形成动力学研究  59-78
  6.1 热重分析  59-60
  6.2 碳系填料填充 PVDF体系动态渗流现象  60-63
    6.2.1 动态渗流现象  60-62
    6.2.2 导电网络形成的活化能  62-63
  6.3 填料种类对导电网络形成的影响  63-66
  6.4 填料含量对导电网络形成的影响  66-68
  6.5 基体对导电网络形成的影响  68-71
  6.6 导电网络形成与零剪切速率粘度的关系  71-72
  6.7 导电网络结构的保持性  72-73
  6.8 导电网络形成过程热力学模型  73-77
  6.9 本章小节  77-78
第七章 主要结论和创新点  78-80
  7.1 主要结论  78-79
  7.2 创新点  79-80
参考文献  80-88
致谢  88-89
攻读硕士期间发表的论文  89

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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