增压法制备PP基隔离结构导电复合材料及性能研究

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导电高分子材料(CPC)兼具高分子材料、和导电填料的优异性能,在电磁屏蔽、传感器、柔性电子材料、抗静电材料等领域应用广泛,因而受到学者们的重点关注。具有隔离结构的导电高分子复合材料(s-CPCs),因其内部导电填料选择性分布构建的导电网络,可以在低填料负载时实现高的导电性、电磁屏蔽性能。为了使s-CPCs在低逾渗值时表现其综合性能,常常从改变s-CPCs的基体或选择高性能导电填料出发,而新型的制备方法也在不断被提出并优化。热压成型作为常用的制备s-CPCs的方法仍有改进之处。本工作主要关注以下两点:(1)常规热压法制备的s-CPCs材料力学性能普遍较差,特别是韧性亟待提高,这极大限制了s-CPCs材料的应用;(2)需要进一步澄清热压工艺(包括:温度、增压速率、增压压力)对s-CPCs制品的结构与性能的影响,从而进一步改善热压成型工艺。我们利用可控变速增压装置研究了热压工艺参数对iPP基s-CPCs结构和性能的影响,制备了具有优异力学性能的iPP/MWCNTs导电高分子制品。为了提升iPP/MWCNTs的电磁屏蔽性能,进一步引入二维导电填料GNP,研究了一维填料MWCNTs与二维填料GNP的协同作用对s-CPCs结构及性能的影响,主要研究成果如下:1.增压法制备隔离结构iPP/MWCNTs复合材料及性能研究(1)增压温度、增压压力对复合材料制品结构及性能的影响。压力不变,随着温度升高,iPP基体的黏度降低,MWCNTs在基体里更容易发生扩散,形成的导电网络出现大范围团聚现象,复合材料电导率降低;温度恒定时,随着压力升高,形成的导电网络更紧密,但过高压力会使部分MWCNTs扩散进iPP基体内部,造成导电网络的破坏,使导电性能下降。对比发现,增压温度为180℃,增压压力为100 MPa时,制备的iPP/MWCNTs复合材料导电性能最优,此时样品逾渗值为0.73 wt%,远低于常规热压制备的同类样品。(2)增压速率对制品结构及性能的影响。当增压速率为5 MPa/s时,制品中出现大范围MWCNTs的团聚现象,随着增压速率增大,这种团聚现象减弱,形成的导电网络越来越完善,同时制品的导电性增强,电磁屏蔽性能也不断提高。当增压速率增大到20MPa/s时,2.5wt%iPP/MWCNTs复合材料EMI SE为27.3d B,并且断裂伸长率高达273%。(3)WAXD分析表明,不同的增压速率下,iPP的晶体结构不同,常规热压成型制品的iPP通常为α晶,强度高但韧性差。本实验中,当增压速率为5MPa/s时,样品中开始出现具iPP的γ晶,此时样品为α晶和γ晶混合状态。随着增压速率的增大,20 MPa/s时形成完全的γ-iPP结构,结晶度为35.8%。γ-iPP具有良好机械性能。因此,隔离结构iPP/MWCNTs复合材料的力学性能得到了极大的提升。上述实验表明,改变增压速率能够调控iPP基导电复合材料的晶体结构从而改善制品的综合性能。2.隔离结构iPP/GNP/MWCNTs复合材料的制备及性能研究(1)基于前一部分工作,优化热压成型工艺,得到了制备理想iPP基s-CPCs的加工参数,选用导电性能更好的二维填料GNP,通过增压法成功制备了具有隔离结构的iPP/GNP复合材料,其逾渗值为0.13 wt%。(2)在iPP/GNP复合材料体系内引入MWCNTs,研究了不同混合比例的MWCNTs/GNP对复合材料的结构及性能影响。随着MWCNTs与GNP混合比例增大,MWCNTs的加入加强了与GNP之间的连接,减小了GNP与iPP基体之间的空隙,复合材料导电性、电磁屏蔽性能、力学性能也随之提高。在填料总含量2.5 wt%混合比例为4/10时,iPP/GNP/MWCNTs的EMI SE高达43.9 d B,断裂伸长率为233%。并且通过WAXD和DSC检测,复合体系内在填料GNP/MWCNTs和压力双重作用促进γ-iPP的形成,制备了具有高电磁屏蔽性能、优异力学性能的iPP基s-CPCs。
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