聚乙烯基復(fù)合材料的電熱性能研究.pdf

1、聚合物基電熱材料是利用材料的導(dǎo)電熱效應(yīng)制成的一種電加熱材料，是聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料(CPCs)的一個(gè)重要應(yīng)用方向。研究復(fù)合材料的電熱性能對(duì)拓寬導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。本文以通用塑料高密度聚乙烯(HDPE)為基體，以碳纖維(CF)、碳納米管(CNT)為導(dǎo)電填料采用熔融共混的方法制備了HDPE/CF、HDPE/CNT以及HDPF/CNT/CF復(fù)合材料，采用γ-射線輻照處理提高熱穩(wěn)定性、混雜填料提高材料導(dǎo)電性、碳紙復(fù)合改善填料分散

2、性等研究方法，對(duì)復(fù)合材料的電性能和電熱性能進(jìn)行了深入的探討，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　研究了HDPE/CF導(dǎo)電復(fù)合材料的電性能、電熱性能、介電性能，以及γ-射線輻照處理對(duì)復(fù)合材料電熱性能及力學(xué)性能的影響。采用熔融混合的方法制備了HDPE/CF導(dǎo)電復(fù)合材料。HDPE/CF復(fù)合材料的逾滲值為10wt％(5.26 vol％);復(fù)合體系的電阻率隨溫度的變化具有明顯的溫度依存性，其中CF含量為10wt％的復(fù)合材料的正溫度系數(shù)(PTC)強(qiáng)

3、度可達(dá)1010Ω·cm，具有自控溫特性。復(fù)合材料的表面發(fā)熱溫度（Ts）強(qiáng)烈依賴于填料含量及外加電壓的大小;當(dāng)外加電壓為2～9V時(shí)，復(fù)合材料特征時(shí)間常數(shù)τg為35～120s，顯示了較高的發(fā)熱效率。體系交流電阻率表現(xiàn)出在逾滲值前對(duì)頻率的完全依賴和逾滲值后對(duì)頻率的部分依賴;在逾滲值附近，復(fù)合材料的介電常數(shù)、介電損耗均隨CF含量增加而逐漸增大。對(duì)CF含量為10wt％的復(fù)合材料進(jìn)行γ-射線輻照處理，經(jīng)輻照處理后的復(fù)合材料形成了三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輻

4、照后材料的結(jié)晶度略有增加，儲(chǔ)能模量略微增大，熱膨脹尺寸減小。復(fù)合材料的Ts在輻照后高于輻照前。此外，輻照聚合物具有非常穩(wěn)定的PTC現(xiàn)象，且重復(fù)性好。采用充電電池充當(dāng)外加電壓，輻照劑量為250KGy復(fù)合材料施加9V電壓后，溫度可達(dá)54.2℃，并保持發(fā)熱約6h。
　　研究了HDPE/CNT復(fù)合材料的電性能、電熱性能、介電性能。HDPE/CNT復(fù)合材料的逾滲值約為2wt％(1.12vol％)，遠(yuǎn)低于HDPE/CF復(fù)合體系;復(fù)合體系電阻率

5、隨溫度的變化不大，具有電阻率熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的表面發(fā)熱溫度（Ts）同樣依賴于填料含量及外加電壓的大小，但與HDPE/CF復(fù)合材料相比，相同填料含量下，HDPE/CNT復(fù)合材料的表面發(fā)熱溫度稍低于HDPE/CF復(fù)合材料，表明復(fù)合材料的電熱性能不僅與導(dǎo)電填料的含量有關(guān)，還與填料的形態(tài)以及分散狀態(tài)等因素有關(guān)。此外，相同含量條件下，與HDPE/CF復(fù)合材料相比，HDPE/CNT復(fù)合材料的熔點(diǎn)、結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性均稍高一些。體系交流電阻率同樣表現(xiàn)

6、出在逾滲值前對(duì)頻率的完全依賴和逾滲值后對(duì)頻率的部分依賴;在逾滲值附近，復(fù)合材料的介電常數(shù)、介電損耗均隨CNT含量增加而逐漸增大。
　　基于以上研究，考慮到混雜填料的填充對(duì)復(fù)合材料的協(xié)同增效作用，研究了CNT/CF混雜填料對(duì)復(fù)合材料電性能和電熱性能的影響，并闡述了其協(xié)同效應(yīng)。采用熔融共混的方法制備了HDPE/CNT/CF復(fù)合材料。電性能及電熱性能研究表明:含有混雜填料的復(fù)合材料有著比單獨(dú)填料更低的電阻率;填料總含量相同時(shí)，混合填料復(fù)

7、合材料的電熱性能優(yōu)于單獨(dú)填料復(fù)合材料，如較高的表面發(fā)熱溫度（Ts），快速的溫度響應(yīng)（τg）及更好的熱穩(wěn)定性?？梢?jiàn)采用CNT/CF混雜填料，不僅降低了每種填料的使用量，而且產(chǎn)生了互相合作的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常將這種共同構(gòu)筑導(dǎo)電通路的作用稱之為協(xié)同作用。這種協(xié)同作用可以認(rèn)為是兩種不同類型的碳填料形成了互相合作的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CF相互搭接構(gòu)成了長(zhǎng)距離的傳輸通道，而CNT在CF之間形成良好的“橋架”作用，因此，電荷可以更加有效的在CNT和CF相互

8、連接的導(dǎo)電通路中流動(dòng)。此外，通過(guò)使用充電電池作為外加電壓來(lái)評(píng)價(jià)混雜填料復(fù)合體系的發(fā)熱性能，在提供約6V的電壓時(shí)可使復(fù)合材料的發(fā)熱溫度達(dá)到57.6℃，并可以持續(xù)發(fā)熱約6h。
　　此外，為改善CNT在基體中的分散性，采用先將CNT制備成碳納米管紙(CNP)再與HDPE復(fù)合的形式制備了復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料電熱性能的改善。實(shí)驗(yàn)所制得的CNP表面平整、光滑、孔徑均勻;HDPE/CNP復(fù)合材料的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，碳納米紙復(fù)合層的厚度約