聚合物/全硫化超细橡胶粒子/碳纳米管三元复合材料的制备及结构与性能研究
碳纳米管是一种具有特殊几何结构及优异力学性能、导电及导热性能的多功能纳米填料,可用于制备高性能化聚合物复合材料。以碳纳米管为导电填料制备的聚合物／碳纳米管填充型导电复合材料具有重要的应用前景。为了解决聚合物／碳纳米管复合材料导电逾渗值过高的问题,本文采用一种简便、适应于工业应用的方法,即向聚合物／碳纳米管体系中引入第三组分全硫化超细橡胶粒子(URP)。全硫化超细橡胶粒子可以改变碳纳米管在聚合物基体中的分散、分布及伸展状态,从而显著降低碳纳米管的用量,获得低导电逾渗值聚合物／超细橡胶粒子／碳纳米管复合材料。根据超细橡胶粒子与聚合物基体的相容性不同,其在聚合物中的分散性能也不同,因此对碳纳米管的作用原理也不同,本文分别以聚酰胺6(PA6)、线形低密度聚乙烯(LLDPE)为基体制备了不同聚合物／超细橡胶粒子／碳纳米管复合材料,并对材料的结构与性能进行了系统的研究。
论文第一部分,首先以羧基丁苯超细橡胶粒子(CSRP)与多壁碳纳米管(MWCNTs)复配,制备一种具有表面负载结构CSRP／MWCNTs复合粉末,CSRP作为MWCNTs的载体。然后利用CSRP在PA6基体中的良好的分散性,一方面促进MWCNTs在基体中的分散；另一方面促使处于卷曲状态的MWCNTs无规伸展,从而增加其有效长径比,形成有效的导电网络,制备了低逾渗值的PA6／CSRP／MWCNTs复合材料,并且提出了CSRP促进MWCNTs分散及无规伸展的机理。体积电阻率数据显示加入16 phr CSRP,PA6／CSRP／MWCNTs三元体系的导电逾渗值为3phr,仅仅为PA6／MWCNTs二元体系的一半。此外,固定MWCNTs用量为4 phr,随着CSRP用量的增加,PA6／CSRP／MWCNTs复合材料的体积电阻率显示出两个转变点和一个平台。流变数据证明了CSRP与MWCNTs之间存在着相互作用,相对PA6／CSRP(100／16)及PA6／MWCNTs(100／4)二元体系,PA6／CSRP／MWCNTs(100／16／4)三元体系在低频区储能模量及复数粘度显著增加；动态热机械分析数据显示MWCNTs的加入增加了PA6／CSRP复合材料的储能模量；热失重数据显示适量复合粉末CSRP／MWCNTs的加入没有影响PA6的初始分解温度；结晶数据显示PA6／CSRP／MWCNTs三元体系以α晶型为主。
论文第二部分,采用一步熔融混合法制备了LLDPE／URP／MWCNTs导电热塑性弹性体。作为第三组分的超细橡胶粒子以微米尺度的粒径分散,因此主要利用URP的体积排除作用,增加MWCNTs局部有效浓度,促进导电网络形成。一方面,详细研究了LLDPE／丁苯70超细橡胶粒子(SBRP-70)／MWCNTs热塑性弹性体的结构与性能关系。弹性体具有典型的两相结构,SBRP-70的分散粒径为1-2μm,MWCNTs选择分布于连续的LLDPE相。通过改变LLDPE／SBRP-70的共混比率,体系体积电阻率可调,可以制备一系列具有不同导电性能和机械性能的热塑性弹性体。另一方面,比较了采用不同超细橡胶粒子SBRP-70,超细丁苯50橡胶粒子(SBRP-50),超细丁腈橡胶粒子(NBRP)制备的导电热塑性弹性体结构与性能关系。对于LLDPE／NBRP体系,MWCNTs不仅分布于LLDPE中,而且分布于极性橡胶NBRP与LLDPE的界面上,因此在三种热塑性弹性体中导电逾渗值最低；对于LLDPE／SBRP体系,两相极性相近,MWCNTs分布于低粘度LLDPE相,SBRP分散性越好,对MWCNTs的分散越好。SBRP-70与LLDPE相容性好,分散粒径小,因此SBRP-70体系导电性能及机械性能优于SBRP-50体系。
论文第三部分,在聚酰胺／CSRP两相部分相容体系中,发现低Tg的CSRP可以提高高Tg聚酰胺相的玻璃化温度,这与传统部分相容体系两相玻璃化相互靠近相反。对此现象提出了简单解释,CSRP在聚酰胺基体中基本以粒径为150 nm的单个粒子分散,因此两相具有很大的相界面,相界面上聚酰胺分子链段的运动受到限制,玻璃化温度从而提高。
聚酰胺6;线形低密度聚乙烯;碳纳米管;三元复合材料;超细橡胶粒子;体积排除;力学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
乔金樑
2011
中文
TB332;TQ323.6
136
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）