炭黑填充不相容高分子復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、當(dāng)今材料科學(xué)最主要的發(fā)展趨勢(shì)是復(fù)合化與高性能化。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，人們往往關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系，力圖通過(guò)掌握兩者之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)或制備高性能的復(fù)合型材料提供有效的指導(dǎo)；對(duì)于填充型導(dǎo)電復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，也不例外。目前，雖然很多研究都是針對(duì)于填充型導(dǎo)電復(fù)合材料，特別是對(duì)炭黑填充高分子共混體系，但是仍然很多問(wèn)題尚未解決，比如炭黑在復(fù)合材料中分布的影響因素、怎樣表征出炭黑復(fù)合材料中各相的分布濃度以及怎樣用實(shí)驗(yàn)方法表征出炭黑在不相容體系中的

2、三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。在工業(yè)應(yīng)用中，導(dǎo)電復(fù)合材料最主要的用途之一是作為高分子PTC材料，目前在國(guó)內(nèi)，制備低阻化、低溫級(jí)高分子PTC材料仍然是一項(xiàng)技術(shù)難題。 本論文力圖從理論研究解決上述所涉及的問(wèn)題，從根本上解決控制炭黑分布的影響因素以及微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，為制備高性能的導(dǎo)電復(fù)合材料提供理論依據(jù)。同時(shí)力圖開發(fā)出適用于工業(yè)應(yīng)用的低阻化、低溫級(jí)高分子PTC材料。 本文從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面研究了炭黑在材料中分布的影響因素及其大小。選擇

3、以炭黑(CB)填充線性低密度聚乙烯(LLDPE)/乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)不相容共混體系為研究對(duì)象，經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，在本體系中，對(duì)炭黑分布的影響，動(dòng)力學(xué)作用因素大于熱力學(xué)作用因素。同時(shí)也在研究中發(fā)現(xiàn)在填充濃度較高時(shí)，炭黑在兩相存在一定的分配比，因?yàn)樘亢谕瑫r(shí)受兩種作用因素的影響，受作用因素控制較強(qiáng)的一相，會(huì)有相對(duì)較多的炭黑粒子分布，即炭黑分布占優(yōu)相。復(fù)合材料的電學(xué)性能同時(shí)受到炭黑在復(fù)合材料中的分布和炭黑分布占優(yōu)相的熔融過(guò)程有關(guān)。

4、 本文首次從流變學(xué)的角度定量地表征出炭黑在兩相體系中存在的濃度分配比。針對(duì)前面所提到的炭黑在復(fù)合材料中存在一定的分配比，一般研究方法卻無(wú)法定量地表征，而流變學(xué)的模量參數(shù)對(duì)于粒子填充體系則非常敏感。研究在不同LLDPE/EMA/CB復(fù)合體系中，模量參數(shù)與炭黑濃度的關(guān)系，運(yùn)用Palierne模型公式，定量地得出了炭黑總的填充濃度同炭黑在兩相體系中的分配比的關(guān)系。經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，在低炭黑填充濃度時(shí)，炭黑幾乎只分布在一相中；當(dāng)炭黑填充濃度逐漸

5、增大時(shí)，炭黑會(huì)在兩相中有所分布，但存在分布占優(yōu)勢(shì)相。造成炭黑這種分布原因在于，炭黑分布同時(shí)受熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素的影響。對(duì)于LLDPE/EMA/CB復(fù)合體系來(lái)說(shuō)，炭黑受動(dòng)力學(xué)控制有利的分布相是LLDPE，而受熱力學(xué)控制有利的分布相是EMA；動(dòng)力學(xué)分布影響因素強(qiáng)于熱力學(xué)分布影響因素。 利用不相容高分子共混體系作為基體，從電學(xué)性能的角度推測(cè)炭黑在較低填充濃度下形成三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在還無(wú)表征手段證實(shí)這種逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。本文從流變

6、學(xué)的角度表征出不相容體系中炭黑在三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系的粘彈行為在低頻區(qū)隨著炭黑濃度的增加，發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)了彈性模量的平臺(tái)，這種粘彈行為的突變反映了當(dāng)炭黑含量達(dá)到臨界值后，炭黑粒子與粒子間距已經(jīng)小到其自身尺寸的范圍內(nèi)，由此產(chǎn)生相互作用而急劇增加,從而導(dǎo)致了逾滲網(wǎng)絡(luò)的形成，即粘彈性逾滲效應(yīng)。將炭黑填充不同復(fù)合體系的流變學(xué)突變點(diǎn)的炭黑臨界濃度值(粘彈性逾滲閥值)同電導(dǎo)率突變點(diǎn)的炭黑臨界濃度值(電導(dǎo)率逾滲閥值)相比較，可以

7、看出兩者吻合一致。利用改進(jìn)后的Nielsen方程來(lái)表征炭黑在不同基體樹脂中的聚集分散狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)相似的突變濃度附近，表征炭黑聚集分散狀態(tài)的參數(shù)也發(fā)生了突變，說(shuō)明了炭黑的分散聚集狀態(tài)發(fā)生了突變，通過(guò)比較不同復(fù)合體系，表征出了不相容體系對(duì)炭黑形成三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)作用。 本文研究開發(fā)了適用于工業(yè)應(yīng)用的低溫級(jí)高分子PTC材料。成功地開發(fā)出LV系列低溫級(jí)高分子PTC開關(guān)器件材料。LV系列PTC轉(zhuǎn)折溫度點(diǎn)為85℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于我國(guó)同類產(chǎn)品