炭黑/碳纳米管/聚对苯二甲酸丁二醇酯导电复合材料的制备及性能研究

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填充型导电高分子材料已广泛的应用于电子、能源、化工、宇航等领域,被认为是最有发展前景的导电高分子材料之一。在复合型导电高分子材料中,为了使导电组分在基体中形成连续的导电网络结构,填充量要求超过渗滤阈值。一般来说,炭黑粒子填充导电复合材料的渗滤阈值都比较高,往往超过20%。高填充会带来一些不利影响,如增加了复合体系的熔融粘度,可加工性能和力学性能变差,因此,降低导电组分的填充量是改善复合型导电高分子材料的关键。本论文以聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为基体,以炭黑(CB)和碳纳米管(MWNT)为导电填料,制备了一系列的导电复合材料。对多相体系的导电性能、形态、PTC效应、动态流变性能和结晶性能进行了研究。1.对复合材料的导电性能研究表明,CB/PBT复合材料的渗滤阈值为4.5%,当添加了0.9%的MWNT和3%CB导电复合填料后,CB/MWNT/PBT复合材料的渗滤阈值降低到了3.9%,在渗滤阈值处电导率由10-5S/cm上升到了10-4S/cm。MWNT和CB在PBT基体中产生了协同效应,形成了互连结构的导电网络,有效地降低了体系的渗滤阈值,提高了其导电性能和可加工性能。2.使用SEM对复合材料的形貌观察表明,CB/MWNT/PBT体系中,高长径比的MWNT分布于球形的CB间,连接孤立的CB颗粒形成导电网络,降低了体系的渗滤阈值,提高了电导率。3.对复合材料PTC效应的研究发现,各种组分复合材料都没有表现出明显的PTC效应。其温度-电导率曲线与DSC升温曲线非常的吻合,验证了热膨胀理论。4.对复合材料动态流变性能的研究发现,在三种体系中,填料的加入均能提高复合体系的储能模量(G’)和损耗模量(G”),增加体系的粘度(η*),降低力学损耗角(tanδ),G′~ω,G″~ω在低ω区域出现“第二平台”,说明复合体系的结构发生改变。加入CB后CB/PBT复合体系形成了填充粒子团聚缠结网络结构,而MWNT/PBT复合体系中由于MWNT有较大的长径比,流变阈值比CB/PBT复合体系较低。而CB/MWNT/PBT复合后其填充性能更加优异,可能是高长径比的MWNT和球形CB的复合填充,两者起到协同作用,所以具有比单一形状的填料有更好的性能。5.对复合材料的结晶性能的研究表明,共混物的非等温结晶行为主要受CB和MWNT含量及降温速率的影响。当CB和MWNT的含量一定时,结晶温度随着降温速率的升高而降低;当降温速率一定时,结晶温度随着CB和MWNT含量的升高而升高,说明在复合体系中起到了成核剂的作用。同时CB和MWNT的引入改变了PBT的成核和晶体生长机理。6.XRD衍射结果表明,随着CB和MWNT的增加,复合体系的XRD衍射峰明显变窄,说明了PBT的晶粒粒度大小变得均匀,晶体尺寸分布变窄。7.对复合材料的力学性能的研究表明,适量填料的加入对复合材料体系有一定的补强作用,但是随着填料含量的继续增加,填料的团聚倾向增加不利于其分散,在复合材料中成为应力集中点,力学性能又开始下降。
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