碳系填料填充PVDF復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、本論文以聚偏氟乙烯(PVDF)為基體，采用多種碳系材料(碳黑(CB)、氣相生長碳纖維(VGCF)和多壁碳納米管(MWNT))作為導(dǎo)電填料，系統(tǒng)地研究了填料形態(tài)結(jié)構(gòu)對聚合物基復(fù)合材料的電性能、動態(tài)流變性能和動態(tài)機械性能的影響，并利用in-situ測量技術(shù)研究了碳系填料填充復(fù)合材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的動力學(xué)過程。研究的重點是填料形態(tài)與復(fù)合體系流變性能對導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的影響，并建立復(fù)合體系導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的熱力學(xué)滲流模型。 碳系填料填充PVDF復(fù)

2、合材料的室溫電性能都呈現(xiàn)明顯的滲流現(xiàn)象。PVDF/MWNT體系的滲流閾值僅為1.75phr MWNT，遠小于其它復(fù)合體系，MWNT具有較大的長徑比是重要原因。復(fù)合體系滲流閾值隨PVDF粘度的減小而降低，這是因為分子量低的聚合物能夠容易的與填料粒子表面形成聚合物/填料鍵合層，使填料有效地分散。 對于高結(jié)構(gòu)碳黑(HCB)填充PVDF體系，儲能模量G'和復(fù)數(shù)粘度η*隨HCB含量的增加而增大。在低頻區(qū)域，η*出現(xiàn)牛頓平臺，當(dāng)HCB含量大

3、于6phr時，η*發(fā)生突變，出現(xiàn)流變滲流現(xiàn)象，并且當(dāng)HCB含量大于6phr時，低頻區(qū)域G'對ω不敏感，出現(xiàn)似固體行為。產(chǎn)生上述現(xiàn)象都是由于填料在體系內(nèi)部形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 將導(dǎo)電填料含量小于滲流閾值的復(fù)合體系在高于基體熔點的溫度下進行等溫?zé)崽幚?，體系的電阻率在達到某一臨界時間時會迅速下降，這一現(xiàn)象稱為動態(tài)滲流，其臨界時間稱為滲流時間(tp)。SEM圖證實各體系電阻率的減小與導(dǎo)電粒子的聚集和接觸并逐步形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。PVDF/LC

4、B、PVDF/HCB、PVDF/VGCF和PVDF/s-MWNT體系形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的活化能(Ec)分別為65、71、144和60kJ/mol。與純PVDF零剪切速率粘度活化能(Eη0)相比，Ec更接近于填充體系的零剪切速率粘度活化能(Eη)。這是因為填充體系粘度和形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)都與聚合物的流動性及填料與聚合物分子之間相互作用力有關(guān)。經(jīng)過等溫?zé)崽幚碓僮匀焕鋮s到室溫后的復(fù)合材料電阻率從1014Ω·cm下降到107Ω·cm，熱處理過程中導(dǎo)電填料形