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《东华大学》 2015年
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外场作用下各向异性复合材料的制备及性能研究

陈玉伟  
【摘要】:随着现代科技的快速发展,制备功能化、智能化的高分子复合材料成为工业界和科学界的研究热点。磁场或电场取向粒子制备高分子复合材料是一种有效的制备各向异性结构功能材料的加工方法。填料粒子在高分子基体中可以按照某一特定方向取向排列在高分子基体内,因而可以达到某一特定方向的传导功能,并且这种各向异性的结构也会导致光透过性、机械性能等方面的变化。本论文致力于探索磁场和电场取向粒子的新型加工方式,并实现用连续化卷对卷工艺制备各向异性复合材料,先后通过磁场取向镍微球和镍微片制备了压阻材料和导热材料,通过磁场和溶剂挥发收缩力相结合的方法制备了高分子导电材料,随后完成了对磁场取向制备各向异性结构材料的工业化小试,并成功用电场控制纤维素纳米晶取向制备了电-光响应的智能材料。首先通过探讨镍微球的磁化机制及镍微球之间磁力作用,研究了镍微球所形成串状取向结构的机理,在磁场作用下,镍微球被磁化后形成N-S的磁化结构,通过相互吸引或者相互排斥的作用,形成镍微球在PDMS基体内部高度取向的各向异性结构。经过自制的压缩部件结合拉伸设备测试所制备材料的导电和压阻性能,镍微球在PDMS内部形成的各向异性结构能够显著提高在镍微球取向方向上的导电性,由于镍微球所形成的串状结构中镍微球之间的微小间距导致材料在取向方向有明显的压阻效应,在镍微球含量为2.45vol%时,在0~3MPa的压力范围内,镍微球/PDMS材料电阻率从108 Ohm·m降至101 Ohm·m。并且可以通过调节镍微球含量来得到对压力敏感程度不同的材料。镍微球的取向结构也导致了材料具备机械性能的各向异性,薄膜平面方向上的泊松比在形变为10%时高达0.7,远大于各向同性材料的0.5左右。镍微球所形成的串状结构不光为电的传导提供有效路径,也为热的传导提供路径,取向后的样品随镍微球含量的增加,导热率比未取向的样品提高了3.5倍。其次,研究了镍微片的磁化机制及镍微片在磁场中旋转及镍微片与镍微片之间的相互作用机制,制备了镍微片/pdms复合材料。镍微片可以形成比镍微球更有效的通路,导电率提高,在含量为14vol%时,取向方向上的电阻率为101ohm·m左右,压阻效应更明显。导热率也会大幅度提高,含量为14vol%时,是未取向的复合材料导热率的13倍。并将实验结果与导热预测模型进行对比,未取向的镍微片/pdms复合材料的导热率低于预测结果,而取向后的复合材料因形成串状结构而远高于预测结果。然后通过磁场取向和溶剂挥发收缩相结合的方法制备了镍颗粒/ps导电复合材料。溶剂挥发可以使磁场取向后的粒子间距进一步缩小从而形成导电通路。镍微片比镍微球具备更大的比表面积,颗粒之间易形成更好的有效接触,因此在同样的磁场取向和溶剂挥发制备复合材料的方法下,镍微片比镍微球具有更低的阈值(1.5wt%)。镍颗粒在聚合物中形成的各向异性结构不仅可以降低所需填料含量达到具备导电的性质,也可以改善材料透光的性能。随后,完善了可用于高分子复合材料取向并适用于工业化生产的卷对卷生产线,利用卷对卷生产工艺通过控制磁场强度和热固化速度也可以实现连续制备具有取向结构的镍颗粒/pdms功能复合材料,经扫描电镜测试证实,其内部具有良好取向结构,并且具有优良的光学透过可读性能及入射角依赖功能。取向后的镍微片/pdms的光学透过率在入射角从00变为650的过程中,分别从18%降为5%,未取向的样品的光学透过率一直维持在5%左右。通过控制涂膜速度和热风干燥速度,镍颗粒/ps复合材料也可以利用卷对卷生产工艺实现,并且也具有优良的光学透过可读性及入射角依赖功能。在入射角从从00变为650的过程中取向后的镍微片/ps的光学透过率从70%降低至5%,而未取向的样品的光学透过率仅从20%左右降低至5%左右。最后,通过酸解法制备了纤维素微晶和纳米晶。透射电镜、原子力显微镜测试结果表明所制备的纤维素纳米晶尺寸长度在100~300nm,直径在10~20nm,所制备微晶尺寸长度1~20μm,直径200nm~2μm左右。通过偏光显微镜发现了纤维素微晶的光学各异性及颜色特性。在互成九十度偏光片中间,纤维素纳米晶溶液显示出液晶态行为;在红光片的辅助下,根据取向方向不同,纤维素微晶显示出红/蓝的颜色。利用电场可以控制纤维素纳米晶的取向,取向会引发其在偏关显微镜下的颜色的变化。自制设备JOEY结果表明随着电场强度的增加,纤维素纳米晶的取向程度更高。偏光显微镜下测试表明,纤维素纳米晶比纤维素微晶具备更快的响应速度,是制备电-光响应的优异材料之一。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB33

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