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丁腈橡胶复合物抗静电性能及丁腈橡胶基聚合物固体电解质材料的研究

张倩  
【摘要】: 橡胶是电绝缘材料,但当其表面受到摩擦,形成静电并积累到一定程度时,便会以火花形式释放,造成危险。因此,出于安全性和实用性的需要,抗静电橡胶的研究被广泛关注。另一方面,聚合物固体电解质是近年来研究的热点,丁腈橡胶(NBR)是一种非结晶性橡胶,其玻璃化转变温度低,具有良好的柔顺性和成膜性,并且其分子链段中含有强极性和较强配位能力的腈基( CN)官能团,是制备聚合物固体电解质的理想基体材料。本论文选用NBR为基体,研究了NBR/丙烯酸锂(LiAA)复合体系的抗静电性能以及NBR/高氯酸锂(LiClO4)复合体系的导电性。首先,通过原位合成的方法在NBR纯胶中生成LiAA。研究表明,LiAA显著降低了NBR硫化胶的体积电阻率,当LiAA生成量为50phr时,体系体积电阻率达到最低值(7:05 1010Ωcm),NBR硫化胶由绝缘材料转变为抗静电材料,同时体系的硫化速度、硫化程度、力学性能和热稳定性都明显提高。进一步地,在具有较好综合性能的NBR/LiAA(100/50)体系中添加稀土化合物LaCl3,研究表明,随LaCl3用量增加,体系体积电阻率减小并在LaCl3用量为20phr时达到最低值(2:48 108Ωcm)。添加LaCl3同时进一步提高了体系的硫化速度、硫化程度、力学性能和热稳定性。 以上研究同时证实,NBR中的CN可与Li+产生络合作用,使金属锂盐在NBR中溶解和解离,从而验证NBR具备用作聚合物固体电解质基体材料的必要特征,为下面NBR基聚合物固体电解质材料的研究奠定了基础。 接下来,以NBR为基体,通过溶液共混成膜的方法制备了NBR/LiClO4聚合物电解质。研究表明,与LiClO4复合后,NBR的电导率显著提高,当CN/LiClO4摩尔比为1/2.5时,复合物膜的电导率达到最大值1:21 10 4 S cm 1,比NBR纯胶的电导率提高了5个数量级。FTIR证实了NBR可与LiClO4产生络合作用,当CN/LiClO4摩尔比为1/2.5时,CN与Li+配位吸收峰的相对强度最大,反映出此时可产生络合作用的Li+最多。 进一步选用NBR/环氧树脂(100/30)共混物作为电解质基体,可将NBR/LiClO4体系电导率提高2 3倍。FESEM分析表明加入环氧树脂能显著改善LiClO4在基体中的分散状况,使LiClO4更好地溶解在基体中;AFM分析表明环氧树脂的加入显著提高了聚合物电解质膜的表面平整性;XRD研究发现在NBR/环氧树脂基体中,LiClO4的结晶结构被破坏,表面LiClO4在基体中的溶解程度更大;FTIR分析表明加入环氧树脂后体系中自由Li+增多。 更进一步地,在NBR/环氧树脂/LiClO4体系中,按LiClO4/1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(BMIMOTF)摩尔比1/0.54加入离子液体BMIMOTF,体系电导率进一步提高,即使在高LiClO4含量时,体系的高电导率仍可很好地保持。通过红外差谱法和核磁共振图谱证实,LiClO4与BMIMOTF共混后发生相互作用,使NBR中CN与Li+的络合作用减弱,体系中可自由迁移的Li+增多,因此对体系电导率的提高起到了积极作用。FESEM和XRD分析表明加入BMIMOTF可促进LiClO4在基体中的溶解,因此对提高体系电导率起到了积极作用。


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