碳纳米管高密度聚乙烯复合材料的导电性和动态流变行为研究

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1、摘要聚合物基导电复合材料的电性能不仅与材料的化学组成和结构相关，在很大程度上还取决于材料加工制备以及应用过程中外场刺激对其聚集态结构的影响。本论文选择多壁碳纳米管(MWNTs)填充高密度聚乙烯(HDPE)为主要研究对象，以微机控制的阻温测试仪器和先进流变扩展系统(ARES)为主要研究手段，通过对其导电行为和动态粘弹行为的系统研究，探索材料性能与结构特征间的关联，以及在温度、时间等外场作用F复合体系聚集态结构形成与演化的微观机制。对MWNTs／HDPE复合材料的导电行为，特别是其阻温特性，进行了深入的研究。结果表明，MWNTs填充含量

2、∞为3～5Ⅵ1％时，复合体系呈现渗流行为，与传统的导电填料填充体系相比具有相对较低的渗流阈值。同时发现体系存在特殊的V形温度系数特性(V-PTC特性)，即当口超过渗流阀值后，体系的电阻率P随温度的升高先下降，出现负温度系数特性，然后才出现通常的正温度系数特性。我们认为，这种V-PTC特性源于基体体积膨胀和大长径比MWNTs缠结链忪弛的协同作用。马来酸酐接桉苯乙烯一(乙烯．丁烯)．苯乙烯共聚物(MA．g—SEBS)的加入，可改善MwNTS和HDPE之问的相互作用，并基本上消除v_PTC特性。MWNTs／FIDPE复合体系的阻温特性具有

3、时间依赖性。填料含量、环境温度、升温速童均对其时间依赖性有影响。通过调节合适的填料含量、环境温度以及升温速率，可以得到阻温特性较稳定的PTC材料。采用动态流变学方法研究了复合体系的动态粘弹行为。结果表明，复合体系各动态粘弹函数具有强烈的填料含量依赖性．复合材料的复数粘度，7’随口的增大而增入，当p>3wt％H寸，，7’发生突变．征低Ⅲ区域表现为非牛顿流体行为，出现强烈的剪切变浠现象。我们将其称为流变渗流现象，对应的填料含量即渗流阕值仉、在动念储能模量(G’)、损耗模量(G”)与频率(∞)关系曲线上，随p增加出现“第二平台”现象，第二

4、平台的皓{现表明MWNTs与MWNTs之间、MWfNTs与聚台物之『b』十目互缠结形成二一维叫络结陶。同时发现，在rand～∞曲线上的术端R出现凹谷。这是由于MWNTs柔性长链结陶在低(。时伸长／收缩，MWNTs与M＼·,NTs}目互接触形成了次绒网络造成的。经过不同时间热处理后的m扫描以硬动态问扫描的结果证实了这种结陶的存在。对MWNTs／HDPE复合材料的凝胶流变行为进行了研究，并且采用Winter-Chambon方法确定凝胶点．计算得到了临界凝胶指数H和凝胶强度品。对于粒子填充体系，凝胶流变行为的出现是由于粒子与粒子，粒子与聚

5、合物基体间的相互作用引起的。粒子在聚合物中的聚集、凝聚，形成一定的填料网络，致使体系力学行为的改变。同时，粒子的形态(形状、长径比等)对凝胶行为的出现也起关键性作用。研究发现，MWNTs／HDPE复合材料的凝胶流变行为具有温度依赖性，温度升高，凝胶网络提前出现，临界凝胶点％逐渐减小，但是温度的升高对”影响不大。临界凝胶点与流变渗流阈值和电渗流闽值具有一定相关性。凝胶流变行为的研究，为导电复合材料导电机理的研究提供了新的途径。关键词：导电复合材料动态流变行为渗流结构与性能凝胶流变行为ABSTRACTTheperformanceofco

6、nductivepolymericcompositesarerelatednotonlytOthecomponentsandstructureofpolymermaterialbutalsotOtheeffectofexteriorfieldsontheagglomerationstructureduringthepreparationandapplication．Inthisthesis，theelectricalanddynamicviscoelasticpropertiesofmuhi—wallednanotubes(MWNT

7、s)filledhigh—density,polyethylene(HDPE)compositeswereinvestigatedwiththecomputer-controlledresistivity—temperaturemeasurementsystemandtheARES，inordertOrevealthemechanismforthevariationanddevelopmentoftheagglomerationstructureundertheeriectof山ernlalfield．Electricalprope

8、rties，especiallytheresistivity—temperaturecharacteristicofMWNTs／HDPEcomposites，wereinvestigated．Resultsshowedthatcomp