炭黑填充不相容高分子復合體系的結構與性能研究.pdf

1、當今材料科學最主要的發(fā)展趨勢是復合化與高性能化。對于復合材料來說，人們往往關注微觀結構與宏觀性能的關系，力圖通過掌握兩者之間的關系，為設計或制備高性能的復合型材料提供有效的指導；對于填充型導電復合材料來說，也不例外。目前，雖然很多研究都是針對于填充型導電復合材料，特別是對炭黑填充高分子共混體系，但是仍然很多問題尚未解決，比如炭黑在復合材料中分布的影響因素、怎樣表征出炭黑復合材料中各相的分布濃度以及怎樣用實驗方法表征出炭黑在不相容體系中的

2、三維逾滲網絡結構等。在工業(yè)應用中，導電復合材料最主要的用途之一是作為高分子PTC材料，目前在國內，制備低阻化、低溫級高分子PTC材料仍然是一項技術難題。 本論文力圖從理論研究解決上述所涉及的問題，從根本上解決控制炭黑分布的影響因素以及微觀結構形態(tài)，為制備高性能的導電復合材料提供理論依據。同時力圖開發(fā)出適用于工業(yè)應用的低阻化、低溫級高分子PTC材料。 本文從熱力學和動力學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象，經研究后發(fā)現，在本體系中，對炭黑分布的影響，動力學作用因素大于熱力學作用因素。同時也在研究中發(fā)現在填充濃度較高時，炭黑在兩相存在一定的分配比，因為炭黑同時受兩種作用因素的影響，受作用因素控制較強的一相，會有相對較多的炭黑粒子分布，即炭黑分布占優(yōu)相。復合材料的電學性能同時受到炭黑在復合材料中的分布和炭黑分布占優(yōu)相的熔融過程有關。

4、 本文首次從流變學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。針對前面所提到的炭黑在復合材料中存在一定的分配比，一般研究方法卻無法定量地表征，而流變學的模量參數對于粒子填充體系則非常敏感。研究在不同LLDPE/EMA/CB復合體系中，模量參數與炭黑濃度的關系，運用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系。經研究后發(fā)現，在低炭黑填充濃度時，炭黑幾乎只分布在一相中；當炭黑填充濃度逐漸

5、增大時，炭黑會在兩相中有所分布，但存在分布占優(yōu)勢相。造成炭黑這種分布原因在于，炭黑分布同時受熱力學和動力學因素的影響。對于LLDPE/EMA/CB復合體系來說，炭黑受動力學控制有利的分布相是LLDPE，而受熱力學控制有利的分布相是EMA；動力學分布影響因素強于熱力學分布影響因素。 利用不相容高分子共混體系作為基體，從電學性能的角度推測炭黑在較低填充濃度下形成三維逾滲網絡結構，現在還無表征手段證實這種逾滲網絡結構的形成。本文從流變

6、學的角度表征出不相容體系中炭黑在三維逾滲網絡結構的形成，發(fā)現復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，出現了彈性模量的平臺，這種粘彈行為的突變反映了當炭黑含量達到臨界值后，炭黑粒子與粒子間距已經小到其自身尺寸的范圍內，由此產生相互作用而急劇增加,從而導致了逾滲網絡的形成，即粘彈性逾滲效應。將炭黑填充不同復合體系的流變學突變點的炭黑臨界濃度值(粘彈性逾滲閥值)同電導率突變點的炭黑臨界濃度值(電導率逾滲閥值)相比較，可以

7、看出兩者吻合一致。利用改進后的Nielsen方程來表征炭黑在不同基體樹脂中的聚集分散狀態(tài)，發(fā)現相似的突變濃度附近，表征炭黑聚集分散狀態(tài)的參數也發(fā)生了突變，說明了炭黑的分散聚集狀態(tài)發(fā)生了突變，通過比較不同復合體系，表征出了不相容體系對炭黑形成三維逾滲網絡結構的誘導作用。 本文研究開發(fā)了適用于工業(yè)應用的低溫級高分子PTC材料。成功地開發(fā)出LV系列低溫級高分子PTC開關器件材料。LV系列PTC轉折溫度點為85℃,遠遠地低于我國同類產品