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碳纳米管填充PC复合材料结构与性能研究

陈孟奇  
【摘要】: 本论文以多壁碳纳米管(MWNTs)为导电填料,聚碳酸酯(PC)为基体,通过熔融共混和热压的方法制备了聚合物基导电复合材料。研究了填料含量、形态结构和表面化学成分对复合材料微观结构和导电性能的影响,并利用动态渗流测量技术研究了MWNTs填充复合材料导电网络形成的动力学过程。研究的重点是在电场作用下,碳纳米管种类、表面性质对导电网络形成的影响,并建立复合体系导电网络形成的热力学渗流模型。 研究结果表明,MWNT、s-MWNT和MWNT-COOH填充PC复合材料的室温电性能都呈现明显的渗流现象,渗流阈值分别为1.66vol%、3.58vol%和3.48vol%,由于MWNT较大的长径比导致了PC/MWNT体系的渗流阈值很低。利用经典渗流理论拟合室温电阻率随导电填料含量变化的曲线并用MATLAB软件分析,结果表明经典渗流理论可以很好的模拟室温电阻率和填料含量的关系曲线。 在非电场条件下,利用动态渗流测试方法研究了PC熔体中碳纳米管导电网络形成的动力学过程。结果表明,随着热处理温度和导电填料含量的增加其渗流时间将逐渐减少。PC/MWNT、PC/MWNT-COOH和PC/s-MWNT体系形成导电网络的活化能分别为116、123和98kJ/mol,其活化能值的大小与填料形态结构、填料与基体间相互作用力有关。此外,我们利用经典渗流理论和Zhang等的动力学联合模型对等温热处理的动态渗流曲线拟合结果表明,联合模型可以很好地模拟动态渗流过程中电阻率随时间的变化曲线。 通过研究PC/s-MWNT和PC/s-MWNT-COOH体系在电场作用下的动态渗流现象,发现随着电场强度的增加渗流时间急剧下降,这主要归因于电场诱导碳纳米管排列加速了碳纳米管的团聚并形成导电网络。基于Arrhenius方程、经典渗流理论和Zhang等的导电网络形成动力学模型提出了新的预测聚合物零剪切粘度的模型。此外,对外加电场下LDPE/CB、LDPE/s-MWNT、PC/CB、PC/s-MWNT四种复合体系动态渗流现象进行比较,表明聚合物基导电复合材料导电网络形成活化能主要受导电填料形状的影响,而与基体的性质无关。最后,经典渗流理论和Zhang等的动力学联合模型也可以被用来模拟电场作用下动态渗流过程中电阻率随时间的变化曲线。


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