碳材料填充改性聚偏氟乙烯復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、近年來，聚偏氟乙烯(PVDF)樹脂因其良好的綜合性能業(yè)已發(fā)展成為應(yīng)用范圍僅次于聚四氟乙烯的氟樹脂品種，涉及電子計算機、航空航天、信息處理、醫(yī)療器械、光學儀器和兵器工業(yè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。但相比于常見的工程塑料和通用塑料，PVDF的應(yīng)用范圍仍不夠?qū)挿?如欲進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，還需對其進行填充改性以滿足更高的性能或功能化的要求。這其中，一維尺度的碳材料如碳纖維、納米碳纖維、碳納米管等因自身優(yōu)異的力學性能、良好的導(dǎo)電能力以及獨特的長徑比結(jié)構(gòu)，在

2、PVDF的填充改性研究中扮演著舉足輕重的角色。然而，針對這類PVDF基復(fù)合材料內(nèi)部多層次的結(jié)構(gòu)，尤其是填料的近程和遠程結(jié)構(gòu)與材料宏觀性能之間關(guān)系的研究還不夠充分，而這對PVDF基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能控制是至關(guān)重要的。
　　 因此，本文首先通過熔融共混制備了三種具有不同結(jié)構(gòu)和尺度的碳材料填充的PVDF體系:聚偏氟乙烯/碳纖維(PVDF/CF)、聚偏氟乙烯/碳納米纖維(PVDF/CNF)以及聚偏氟乙烯/碳納米管(PVDF/CNT

3、)復(fù)合材料，隨后通過研究和比較這幾種復(fù)合材料的力學性能、熱行為、流動和變形能力以及導(dǎo)電和介電性，考查了材料內(nèi)部的多層次結(jié)構(gòu)，包括PVDF的聚集態(tài)和織態(tài)結(jié)構(gòu)、碳系填料的近程、遠程結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系;并進一步利用力學模型、動力學模型以及粘彈模型等構(gòu)建了PVDF基復(fù)合材料中不同層次的結(jié)構(gòu)與不同性能之間的聯(lián)系，目的在于初步實現(xiàn)該復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能控制，為制備高性能及功能化的PVDF基復(fù)合材料提供較全面的理論基礎(chǔ)和加工依據(jù)。得到的主要

4、結(jié)論如下:
　　 (1)對于PVDF/CF復(fù)合材料:CF對PVDF具有顯著的增強效果:當CF含量為28wt％時，復(fù)合材料的拉伸強度、模量以及彎曲強度與純PVDF相比分別提高了179.56％、107.8％和139.83％;在CF含量不高的情況下，復(fù)合材料的彈性模量與Krenchel和Nielsen模型的預(yù)測值相吻合;CF的長徑比和取向度是影響復(fù)合材料力學性能最重要的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，Halpin-Tsai方程能夠較好地描述復(fù)合材

5、料中CF的有效長徑比，而由Krenchel-COX方程則可較為準確地獲得CF在PVDF基體中的取向度;此外，CF的表面處理能使之與PVDF間的界面張力減小，有效提高了兩相的親和性，從而進一步提升CF的增強效果;
　　 (2)對于PVDF/CNF復(fù)合材料:CNF增強的PVDF復(fù)合材料同時具備優(yōu)異的拉伸強度和抗沖強度:當CNF含量達到3wt％時，復(fù)合材料的拉伸強度和抗沖強度相比于純PVDF分別提升了29.6％和30.97％;但當CN

6、F含量超過3wt％時，由于受體積填充分數(shù)急劇增大的影響，CNF在與PVDF基體熔融復(fù)合時不易分散均勻，因此復(fù)合材料的力學性能反而下降;與CF類似，CNF的加入能全面提升復(fù)合材料的電性能，且改善效果明顯優(yōu)于CF:當CNF含量為13wt％時，復(fù)合材料的電導(dǎo)率提升了約9個數(shù)量級，介電常數(shù)提升了約2個數(shù)量級;此外，CNF具有明顯的異相成核作用，可大大加快PVDF的結(jié)晶速率，但并不會改變PVDF的晶型;
　　 (3)對于PVDF/CNT復(fù)

7、合材料:CNT的引入強烈影響復(fù)合體系的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)流變行為:隨CNT含量的增加，體系假塑性流動行為增強，流動活化能也隨之增大;但無論是在穩(wěn)態(tài)剪切還是在動態(tài)剪切流動中，體系的線性流動范圍幾乎都不隨溫度而改變;在小振幅振蕩剪切流動中，CNT形成的逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強烈依賴于溫度，逾滲閥值隨著溫度的升高而逐漸變小，因此時溫等效原理只適合于逾滲前的體系，而對逾滲后的體系則不適用;不過兩相模型能很好地描述CNT的濃度及分散情況對復(fù)合材料小振幅振蕩剪切流變