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《陕西师范大学》 2010年
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碳纤维/含氟高分子复合材料的研究

姚李娜  
【摘要】: 碳纤维(Carbon Fibers,简称CFs)是一种可用于复合材料改性的新型增强材料。它不仅具有一般炭材料固有的特性,而且还具有高导电性、大长径比、低密度、高比强度、强耐腐蚀、耐高温和抗氧化等诸多优点。利用CFs所特有的物理、化学性质及含氟聚合物的耐高温、优异的表面性能,将CFs与含氟聚合物进行复合可获得具有优良性能的CFs/含氟聚合物基复合材料。因此,研究CFs/含氟聚合物基复合材料的制备及性能有着重要的理论和实际意义。 将两类碳纤维(标记CFs-1和CFs-2)进行热处理或还原后,采用共混法和原位聚合法制备了碳纤维/聚甲基丙烯酸三氟乙酯(PTFEMA)复合材料,并对其热、电性能进行研究。 1、研究了CFs-1和CFs-2的结构及性能。分析知:CFs-1和CFs-2都具有石墨(002)特征衍射峰,且碳、氧元素是其主要组分,但纤维直径不同。硝酸氧化CFs(标记CFs-11、CFs-22)后,直径都变粗,且表面粗糙度增大,表面氧含量增高,表面碳含量降低。说明氧化后CFs表面含氧基团增加,有效提高了CFs与PTFEMA之间的结合能力。 2、在超临界二氧化碳(scCO2)介质中,采用原位聚合法制备CFs-1/PTFEMA复合材料,使用1H NMR和FT-IR表征了复合材料的结构,并测试复合材料中PTFEMA分子量及分子量分布。与单体TFEMA均聚合相比,在同样条件下加入CFs-1后,单体转化率和聚合物分子量均减小。TFEMA转化率由80%减小到60%,聚合物分子量由19000降至13000,这可能是由于热处理后CFs表面存在环氧涂层及其表面吸附空气中少量的氧而导致。氧作为自由基聚合反应的阻聚剂消耗引发剂使单体引发不充分而使转化率降低,而环氧涂层可能会作为链转移剂或终止剂使聚合物分子量减小。因此,后续研究中必须对CFs表面进行改性处理。 3、以共混法制备CFs-1/PTFEMA复合材料为参照,讨论了以scCO2为反应介质,热处理CFs作为增强材料,原位聚合法制备的CFs-1/PTFEMA复合材料的导电性能。对于CFs-1/PTFEMA复合材料,原位聚合法制备的CFs分散性优于共混法制备的CFs分散性;两种方法制备的CFs-1/PTFEMA复合材料都具有良好的导电性;随CFs-1质量含量的增加,材料电阻率(ρv)都呈数量级递减,且原位聚合法制备的ρv比共混法制备的高3个数量级。 以原位聚合法制备的CFs-1含量为12%(CFs-1:PTFEMA)复合材料为例,分析温度变化对复合材料电阻率影响。结果表明:随温度升高,材料首先表现出强烈的PTC效应,当温度升至80-85℃范围时,材料出现一定的NTC效应。NTC效应存在降低了材料的导电性能,因此应有效地减少材料的NTC效应。 4、以共混法制备的CFs-1/PTFEMA和CFs-11/PTFEMA复合材料为参照,研究了以scCO2为介质,氢气还原CFs-2和CFs-22作为增强材料,原位聚合法制备的CFs-2/PTFEMA和CFs-22/PTFEMA复合材料介电性能。结果表明:室温和频率1×103 Hz, CFs-11/PTFEMA复合材料的介电常数渗流阈值低于CFs-1/PTFEMA复合材料,这是由于共混法中,氧化的部分纤维断裂,使原本较长的纤维减少,在基体中不易搭接成导电网络而导致的;CFs-22/PTFEMA复合材料介电常数渗流阈值高于CFs-2/PTFEMA复合材料,这是因为在原位聚合法中,CFs表面氧化后,增加了表面粗糙度,也增加了界面极化效应,因而导致介电常数的增加。 室温和频率2×105Hz,随CFs-11含量的增加,CFs-11/PTFEMA复合材料介电损耗先缓慢增加,接近渗流阈值(5%)时,介电损耗激增,且复合材料介电损耗低于CFs-1/PTFEMA复合材料,是因为氧化后,CFs-11表面与基体PTFEMA的粘合性、相容性都更好,使得填料与基体之间空隙减少,减少界面极化造成的损耗。 随频率增加,复合材料介电常数变化是缓慢减少的过程,不存在突增或突减现象;在频率(0.01-3)×105 Hz范围内,CFs-11/PTFEMA和CFs-22/PTFEMA复合材料介电损耗保持在0.15以内,呈现略微减小趋势。表明两种复合材料具有一定的介电性,扩大了碳纤维复合材料的应用范围。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB332

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【参考文献】
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