碳-聚合物導電復合材料的制備及性能研究.pdf

1、納米石墨片導電性好、徑厚比大,被廣泛應用于聚合物基導電復合材料,將其與其它導電填料或增韌填料復合可以制備性能優(yōu)良的導電聚合物復合材料。本文首先將二維的納米石墨片(GNPs)與一維的碳納米管復合(CNTs)制備導電聚合物復合材料,通過XRD、SEM等表征技術(shù)對填料和復合材料的微觀形貌進行了分析,通過兩探針法測量了復合材料的體積電阻率,詳細研究了聚合物導電復合材料的導電機理和不同幾何形狀的填料配比對復合材料導電性的影響,分析了不同形狀填料間

2、的協(xié)同作用。在此基礎上分別以GNPs為導電填料、納米碳酸鈣為增韌填料制備了環(huán)氧樹脂基導電聚合物復合材料。詳細考察了GNPs和納米CaCO3的含量對復合材料的導電性及斷裂韌性的影響,分析了二者的協(xié)同導電及增韌作用機制。最后我們選取不同GNPs含量的環(huán)氧樹脂復合材料制備活性炭,通過SEM、TEM等技術(shù)對活性炭材料的微觀形貌進行了分析,并通過循環(huán)伏安、交流阻抗等測試方法對其電化學性能進行了研究。
　　 本文首先采用溶液共混法制備了硅橡

3、膠/GNPs復合材料,并考察了GNPs含量對其電性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著GNPs含量的增加復合材料的導電性單調(diào)增加,在含量為3wt.％時達到其滲濾閾值。而將GNPs和CNTs共同作為導電填料加入聚合物中時,隨著導電填料中CNTs含量的增加,復合材料的導電先增加,然后在CNTs和GNPs質(zhì)量比為3:7時達到極值(比硅橡膠/GNPs復合材料的電導率高了近兩個數(shù)量級),隨著CNTs含量的繼續(xù)增加,復合材料的導電性反而下降。這是由于CNTs分散

4、在GNPs表面,阻止了GNPs的團聚,其自身的分散也得到提高,同時CNTs連接相隔較遠的GNPs,更容易搭建成導電網(wǎng)絡,這兩種不同形狀的填料在復合材料中表現(xiàn)出顯著的協(xié)同作用,使得含兩種填料的復合材料的導電性高于任意一種填料的復合材料。
　　 分別以GNPs為導電填料、納米CaCO3為增韌填料制備了環(huán)氧樹脂基導電復合材料,研究發(fā)現(xiàn)作為導電填料GNPs的加入可以顯著提高聚合物的導電性,但是由于GNPs與聚合物基體的弱結(jié)合,導致了復合

5、材料斷裂韌性下降,納米CaCO3雖然可以顯著提高復合材料的斷裂韌性,但是卻無法改善復合材料的電性能。將GNPs、納米CaCO3共同作為填料制備聚合物復合材料則可以兼顧材料的電性能和力學性能,而且二者之間具有很好的協(xié)同作用。在保持填料總含量不變時隨著復合粉體中CaCO3含量的增加,復合材料的電導率先增大后減小,當CaCO3和GNPs質(zhì)量比為1:9時達到極值。這說明片層結(jié)構(gòu)的GNPs和球形的CaCO3之間存在很好的協(xié)同作用,加入適量的CaC

6、O3能促GNPs的分散,提高復合材料的導電性。但是CaCO3為絕緣填料,過量的CaCO3覆蓋在GNPs表面則會破壞復合材料的導電網(wǎng)絡,從而使復合材料的導電性下降。另一方面復合材料的斷裂韌性隨CaCO3含量的增加單調(diào)遞增,這是因為CaCO3有很好的增韌作用,復合材料中只含有CaCO3時其斷裂韌性達到2.7 MN·m-3/2。
　　 將不同GNPs含量的環(huán)氧樹脂/GNPs導電復合材料作為前驅(qū)體,經(jīng)過碳化活化后得到活性炭材料。由于GN