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微纳米碳基/聚合物功能复合材料的制备及界面设计

申维新  
【摘要】:微纳米碳材料(例如碳纤维CF、碳纳米管CNT),具有优异的导电与力学性能,成为制备功能聚合物复合材料不可或缺的功能复合组分。本文分别以聚醚醚酮、聚乙烯和尼龙三类聚合物基体,以碳纤维和碳纳米管为功能复合组分,研制出高强耐磨、稳定的抗静电以及高强导电聚合物功能复合材料,以满足现代科技的发展对聚合物复合材料提出更苛刻功能与高性能的要求。并揭示了界面对功能的影响规律,为设计聚合物功能复合材料奠定理论基础。主要包括以下三个方面:(1)以聚醚砜(PES)作为第三组分及活化PES作为连续碳纤维(CCF)的表面改性剂制备CCF/聚醚醚酮(PEEK)复合材料,重点研究CCF/PEEK复合材料的制备工艺方法对其性能的影响。PES作为第三组分制备的CCF/PEEK复合材料,当填充16 wt%的CCF时,复合材料表面电阻降低到107-109Ω,出现导电逾渗状态,此时摩擦系数降到最低(0.2430)。活化PES作为表面改性剂制备的CCF/PEEK复合材料,当填充30 wt%的CCF时,拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高到236.2 MPa、345.1 MPa、12.3 kJ/m2,相比无PES改性的CCF30/PEEK复合材料分别提高了 13.69%,21.70%,36.97%,其中PES起到显著的均匀分散CCF与界面粘结作用。摩擦学研究结果表明,复合材料的摩擦性能不仅取决于润滑材料CCF在基体中的分布还取决于CCF与基体的界面作用力。(2)CNTs/聚合物复合材料的导电性不仅取决于CNTs的填充量,而且更受CNTs在聚合物基体中的分散与分布以及成型加工工艺等因素影响。导电性能的不可控制性直接限制了导电聚合物纳米复合材料的应用。为了提高CNTs在聚合物基体中的分散稳定性,本章选择了亚微米碳酸钙隔离分散的CNTs(smCaCO3@CNTs),通过TEM和Raman mapping证明了 CNTs在smCaCO3@CNTs/PE复合材料中的良好分散。电性能的测试结果表明CNTs在smCaCO3@CNTs/PE复合材料中填充量为0.5 wt%时,渗滤网络开始形成;填充量为1 wt%-2 wt%时,smCaCO3@CNTs/PE复合材料的表面电阻处于106-109Ω范围,几乎不受成型工艺(模压成型和注塑成型)的影响。这是因为用smCaCO3隔离分散CNTs更有利于在聚合物基体中形成稳定的导电网络。(3)表面电阻在1000 Ω以内高强度的导电尼龙复合材料在机器人装备领域的应用需求日益增加。本章以连续碳纤维(CCF)为导电功能相,以尼龙(PA6、PA66)为基体研制导电尼龙复合材料。重点研究了 CCF的表面功能基类型以及PA基熔体的粘度对复合材料电学、力学、流变学、动态力学性能的影响。结果表明,当CCF的填充量为25wt%时,表面具有氨酯(-CONH-)功能基的CCF制备的CCF-1-25/PA66复合材料表面电阻为2×102Ω,相比表面具有环氧功能基CCF制备的CCF-2-25/PA66复合材料表面电阻降低3个数量级。动态力学分析结果表明,相比CCF-2,CCF-1制备的复合材料具有高储能模量和损耗模量,而呈现较低的阻尼系数(tanδ),说明表面具有氨酯功能基的CCF易于在PA66基体中均匀分散,并形成有效的导电网络。而相比CCF-2-25/PA66,CCF-1-25/PA66复合材料的拉伸、弯曲强度降低8.1%和6.0%,说明表面环氧功能基的CCF与PA66基体形成更加良好的界面。相比CCF-2-25/PA66,CCF-2-25/PA6复合材料表面电阻降低一个数量级。因此,导电相表面功能基、CCF在基体中的分布状态、PA基体粘度以及CCF与基体的界面是影响复合材料力学、热学以及电学性能的关键因素。


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