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增韧聚丙烯纳米复合材料研究

作　者: 马玉玲
导　师: 于中振
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 纳米复合材料碳纳米管聚丙烯增韧电导率
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,赋予聚合物导电和抗静电性能的最直接方法是将导电填料通过熔体共混复合、原位聚合、溶液混合等方式分散在聚合物基体当中,但是,无机填料的加入将会降低热塑性塑料的韧性和加工流动性能,再考虑到这些无机功能填料的成本较高,因此如何在赋予聚合物满意电导率的同时,赋予导电纳米复合材料足够高的韧性,具有很重要的科学意义和实际应用价值。本文选用备受工业界青睐的通用塑料聚丙烯作为聚合物基体,以碳纳米管作为导电组分赋予聚丙烯导电性能,选用乙烯-辛烯共聚物(POE)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物橡胶(POE-g-MA)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为增韧剂,通过熔融复合制备了PP/CNT两组分纳米复合材料以及PP/CNT/POE、PP/CNT/POE-g-MA、PP/CNT/UHMWPE三组分纳米复合材料,研究了微观结构与电导率和缺口冲击强度的关系。此外,还研究了加料顺序对PP/CNT/POE、PP/CNT/POE-g-MA三组分纳米复合材料的电导率和缺口冲击强度的影响。主要工作如下：1、通过熔融共混法制备了PP/CNT两组分纳米复合材料,并测定了PP/CNT两组分纳米复合材料的逾渗曲线和缺口冲击强度。得出PP/CNT两组分纳米复合材料由电绝缘体向半导体的逾渗转变发生在CNT含量为2-3wt%时。PP/CNT两组分纳米复合材料的冲击强度随着CNT含量的升高而降低。2、采用两步法加料顺序制备了PP/CNT/POE、PP/CNT/POE-g-MA、PP/CNT/UHMWPE三组分纳米复合材料,即在PP与CNT混合10分钟以后,加入第二组分聚合物：POE、POE-g-MA或UHMWPE,并分别测定了三组分纳米复合材料的逾渗曲线和缺口冲击强度。PP/CNT/UHMWPE三组分纳米复合材料的逾渗阈值与PP/CNT两组分纳米复合材料相同,也为2%-3%左右；PP/CNT/POE三组分纳米复合材料的逾渗阈值发生在碳纳米管含量为3%-5%之间；最特别的是,即使CNT含量达到较高含量以后,如5%或10%,PP/CNT/POE-g-MA三组分纳米复合材料的导电率依然很低。在相同CNT含量下,三组分纳米复合材料的电导率均低于两组分纳米复合材料。CNT的选择性分散和PP基体中用于形成导电网络的CNT量降低是导致三组分纳米复合材料的导电性低于PP/CNT两组分纳米复合材料的原因。UHMWPE的加入对PP/CNT两组分纳米复合材料无增韧作用,当CNT含量为5%时,30 wt% POE或30 wt% POE-g-MA赋予了导电纳米复合材料超高韧性。PP/5% CNT/30% POE三组分纳米复合材料的冲击强度是55.5kJ/m2, PP/5% CNT/30% POE-g-MA三组分纳米复合材料的冲击强度是47.0kJ／m2。3、对于增韧效果较好的PP/CNT/POE以及PP/CNT/POE-g-MA的三组分纳米复合材料,改变加料顺序制备三组分纳米复合材料,如采取一步法加工方法(同时加入三组分混炼15分钟)或第二种两步法(指先将两种聚合物基体混炼5分钟,之后加入CNT混炼10分钟),并将导电性能和缺口冲击强度的结果与第一种两步法进行了比较。与两步法相比,一步法制得的PP/CNT/POE三组分纳米复合材料的电导率均低于两步法,两种加工方法制备的复合材料韧性相同。与第一种两步法相比,第二种两步法PP/5%CNT/30%POE三组分纳米复合材料的电导率变差2个数量级,冲击强度相差不大。与第一种两步法相比,采取第二种两步法制备的PP/5%CNT/30%POE-g-MA三组分纳米复合材料的电导率相差不大,冲击强度下降一半。

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摘要  4-7
ABSTRACT  7-17
第一章绪论  17-35
  1.1 聚合物基导电复合材料  17-26
    1.1.1 综述  17
    1.1.2 导电机理  17-19
      1.1.2.1 渗流理论  17-18
      1.1.2.2 隧道效应理论  18-19
      1.1.2.3 场致发射效应理论  19
    1.1.3 聚合物基导电复合材料的制备  19-20
      1.1.3.1 熔融共混法  19-20
      1.1.3.2 溶液共混法  20
      1.1.3.3 原位共混法  20
    1.1.4 不相容两相聚合物基导电复合材料  20-26
      1.1.4.1 双逾渗行为  21-22
      1.1.4.2 导电填料在不相容两相聚合物基体间的选择性分布  22-26
  1.2 聚丙烯(PP)共混增韧改性的研究进展  26-30
    1.2.1 聚丙烯(PP)/弹性体共混体系  26-29
    1.2.2 聚丙烯(PP)/塑料共混体系  29-30
    1.2.3 聚丙烯(PP)/纳米粒子共混体系  30
  1.3 高介电聚合物基复合材料  30-34
    1.3.1 高介电聚合物基复合材料应用背景和国内外研究现状  30-32
      1.3.1.1 应用背景  30-31
      1.3.1.2 国内外研究现状  31-32
    1.3.2 聚合物基复合材料介电常数的影响因素  32-34
      1.3.2.1 偶联剂用量  32-33
      1.3.2.2 填料颗粒尺寸  33
      1.3.2.3 填料体积分数  33-34
  1.4 课题的提出和研究内容  34-35
第二章实验  35-37
  2.1 主要原料及设备  35
  2.2 复合材料的制备  35
  2.3 性能测试与表征  35-37
第三章结果与讨论  37-57
  3.1 PP/CNT复合材料的性能与微观形态  37-42
    3.1.1 导电性能  37-38
    3.1.2 介电性能  38-40
    3.1.3 韧性  40-42
  3.2 第二组分聚合物对PP/CNT纳米复合材料性能的影响  42-57
    3.2.1 导电性能  42-45
    3.2.2 冲击强度  45-48
    3.2.3 加料顺序对三组分纳米复合材料的性能的影响  48-57
      3.2.3.1 一步法、两步法对三组分纳米复合材料的性能的影响  49-51
      3.2.3.2 两种两步法对三组分纳米复合材料的性能的影响  51-57
第四章结论  57-59
参考文献  59-63
致谢  63-65
研究成果及发表的学术论文  65-67
作者和导师介绍  67-68
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  68-69

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