碳系填料填充PVDF復合材料結構與性能研究.pdf

1、本論文以聚偏氟乙烯(PVDF)為基體，采用多種碳系材料(碳黑(CB)、氣相生長碳纖維(VGCF)和多壁碳納米管(MWNT))作為導電填料，系統(tǒng)地研究了填料形態(tài)結構對聚合物基復合材料的電性能、動態(tài)流變性能和動態(tài)機械性能的影響，并利用in-situ測量技術研究了碳系填料填充復合材料導電網(wǎng)絡形成的動力學過程。研究的重點是填料形態(tài)與復合體系流變性能對導電網(wǎng)絡形成的影響，并建立復合體系導電網(wǎng)絡形成的熱力學滲流模型。 碳系填料填充PVDF復

2、合材料的室溫電性能都呈現(xiàn)明顯的滲流現(xiàn)象。PVDF/MWNT體系的滲流閾值僅為1.75phr MWNT，遠小于其它復合體系，MWNT具有較大的長徑比是重要原因。復合體系滲流閾值隨PVDF粘度的減小而降低，這是因為分子量低的聚合物能夠容易的與填料粒子表面形成聚合物/填料鍵合層，使填料有效地分散。 對于高結構碳黑(HCB)填充PVDF體系，儲能模量G'和復數(shù)粘度η*隨HCB含量的增加而增大。在低頻區(qū)域，η*出現(xiàn)牛頓平臺，當HCB含量大

3、于6phr時，η*發(fā)生突變，出現(xiàn)流變滲流現(xiàn)象，并且當HCB含量大于6phr時，低頻區(qū)域G'對ω不敏感，出現(xiàn)似固體行為。產(chǎn)生上述現(xiàn)象都是由于填料在體系內部形成了網(wǎng)絡結構。 將導電填料含量小于滲流閾值的復合體系在高于基體熔點的溫度下進行等溫熱處理，體系的電阻率在達到某一臨界時間時會迅速下降，這一現(xiàn)象稱為動態(tài)滲流，其臨界時間稱為滲流時間(tp)。SEM圖證實各體系電阻率的減小與導電粒子的聚集和接觸并逐步形成導電網(wǎng)絡有關。PVDF/LC

4、B、PVDF/HCB、PVDF/VGCF和PVDF/s-MWNT體系形成導電網(wǎng)絡的活化能(Ec)分別為65、71、144和60kJ/mol。與純PVDF零剪切速率粘度活化能(Eη0)相比，Ec更接近于填充體系的零剪切速率粘度活化能(Eη)。這是因為填充體系粘度和形成導電網(wǎng)絡都與聚合物的流動性及填料與聚合物分子之間相互作用力有關。經(jīng)過等溫熱處理再自然冷卻到室溫后的復合材料電阻率從1014Ω·cm下降到107Ω·cm，熱處理過程中導電填料形