聚偏氟乙烯/碳纳米管复合材料的形态结构及性能研究

【摘要】：碳纳米管(CNTs)是一种具备高强度、高韧性以及高导电率特性的材料，将CNTs与聚合物通过一定方式进行复合，把聚合物易加工的特性和CNTs卓越的力学性能及电学性能有效结合起来，从而得到全新的高性能多功能复合材料，必然会扩大聚合物的应用范围。目前，虽然人们在聚合物基CNTs复合材料方面做了大量工作，但有关聚偏氟乙烯/多壁碳纳米管(PVDF/MWCNT)复合材料的报道还比较少，许多问题尚待解决，比如采用超声分散法制备的PVDF/MWCNT复合材料具有球状结构的形成机理等尚缺乏系统科学的解释，一些力学、电学性质的研究也不深入。PVDF是一种重要的工程塑料，在许多方面都有非常关键的应用。深入细致地研究不同实验条件下PVDF/MWCNT复合材料的结构及性能，对于加快PVDF/MWCNT复合材料在传感器、能源材料、生物材料以及工程材料等领域的应用步伐具有积极意义。 本文利用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)、偏光显微镜(POM)以及拉伸测试和电阻率测量等手段对PVDF/MWCNT复合材料的结构、力学和电学性能进行了研究。发现使用超声分散方式制备的PVDF/MWCNT复合材料，PVDF和MWCNTs之间具有相互作用力，复合材料形成了球状粒子。MWCNTs作为形核剂均匀分散于PVDF基体中，能够加速PVDF的结晶过程，但同时也会限制聚合物分子链的运动，阻止PVDF晶体生长，导致结晶度降低。用Ozawa、Jeziorny和Mo法对非等温结晶数据进行分析，结果表明Jeziorny和Mo法可以成功地解释PVDF/MWCNT复合材料的非等温结晶行为。利用Kissinger方程计算出来PVDF和PVDF/MWCNT复合材料的非等温结晶活化能分别为218.135kJ/mol和306.741kJ/mol。在PVDF/MWCNT纳米复合材料中，MWCNTs的存在有利于PVDF基体形成具有压电性的β相，从而导致α相和β相共存，使复合材料具有多晶型结构。 力学拉伸测试结果表明，随着MWCNTs含量的增加，PVDF/MWCNT复合材料的强度得到提高，断裂伸长率降低。利用SEM对材料断裂面进行观察，发现PVDF的拉伸断裂属于韧性断裂，而PVDF/MWCNT复合材料则是脆性断裂。PVDF/MWCNT复合材料弹性模量的实验数值和理论预测数值分别为1320MPa和1214.4MPa，相差不到10%，表明外部拉力载荷通过MWCNTs和PVDF之间的界面成功转移到了MWCNTs上。在20-160℃的测量温度范围内，PVDF/MWCNT复合材料中的MWCNTs一直具有增强作用，但是这种增强作用随着温度的增加而不断下降。在室温条件下，PVDF和PVDF/MWCNT复合材料不会出现应力松弛现象，而当温度升高到70℃时，两者则均发生应力松弛，但是由于MWCNTs和PVDF基体之间存在相互作用，导致PVDF/MWCNT复合材料比PVDF难于松弛。 电学性能测试结果表明，与传统导电填料炭黑(CB)相比，MWCNTs应用于聚合物复合材料时导电性能更为出色，当复合材料中的MWCNTs含量为8wt.%时就能达到CB含量为20wt.%的导电效果，并且PVDF/MWCNT复合材料的电阻率随应变增加而增大的速率也比PVDF/CB复合材料低。使用高速机械混合法制备的具有分离结构的PVDF/MWCNT复合材料在非常低的逾渗阈值(0.078wt.%)下就可获得很高的电导率。与超声法相比，高速机械混合法很简单，耗时也更短，可以有效控制成本，并且不会对环境产生污染。