具有共连续结构的TPU/PP导电聚合物复合材料的形态结构及性能研究

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导电高分子复合材料(CPCs)是指以高分子聚合物为基体,与各种导电物质(如碳系导电填料,金属,金属氧化物等),经填充复合制备而成的一类具有导电功能的高分子复合材料。由于CPCs成本低、易成型加工和大规模生产以及性能可调控等优点,现已广泛应用在抗静电、电磁屏蔽、传感器件、环境监测等领域。逾渗现象是CPCs的重要特性之一,然而由传统方法制备的CPCs一般具有较高的逾渗值,而较高的填料含量一方面会增加成本,另一方面也会破坏复合材料的机械性能和加工流动性。因此,探究降低复合材料的逾渗值的方法是近年来CPCs理论和应用研究的热点和重点。  本论文以热塑性聚氨酯(TPU)和聚丙烯(PP)为基体,还原氧化石墨烯(RGO)和多壁碳纳米管(MWCNTs)为填料,马来酸酐接枝聚丙烯(MA-g-PP)作为增容剂,采用溶液-熔融混合的技术制备了RGO/TPU/PP和MWCNTs/TPU/PP两种CPCs,其中TPU、PP和MA-g-PP的质量比例控制为55:40:5。探究了RGO/TPU/PP复合材料的形态结构、逾渗行为和力学性能,以及 MWCNTs/TPU/PP复合材料的结构-性能的关系。主要研究结果如下:  采用热力学和动力学理论预测了复合材料中RGO的选择性分布,结合偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜观察分析了复合材料的形态结构和RGO的分布状态。研究结果表明,所制备的RGO/TPU/PP复合材料具有典型的共连续结构,RGO在选择性分布在TPU相中,且呈现出均匀的分散状态。利用经典逾渗理论对复合材料的逾渗行为进行分析,最终得到复合材料的逾渗值为0.054 wt%,该值远远低于石墨烯/TPU和石墨烯/PP导电复合材料的逾渗值。同时,随着RGO含量的增加,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率表现出先上升后下降的趋势,当RGO含量为0.5 wt%时,拉伸强度和断裂伸长率均达到最大值。  研究了RGO/TPU/PP复合材料的液敏响应行为,研究了溶剂、温度对复合材料液敏响应行为的影响,以及复合材料在不同溶剂中的循环响应行为。研究发现,溶剂的性质、温度、界面效应是影响复合材料的液敏行为的主要因素。  研究了MWCNTs/TPU/PP复合材料的微观形貌的演变及其对电性能、流变性能的影响。研究发现,随着MWCNTs含量的增大,复合材料中TPU和PP相区的尺寸逐渐减小,导电通路的数量增多,复合材料的电导率明显提高,逾渗值为0.22 wt%。粘度比是影响复合材料微观结构变化的主要因素。FT-IR、XRD和SEM结果说明MWCNTs均匀分散在TPU中,且MWCNTs和TPU之间结合较好。在复合材料的流变行为中,当MWCNTs含量增加到0.2 wt%时,复合材料的G′和G′′在低频区出现大幅度上升,同时复合材料的Cole-cole曲线开始偏离线性关系,这就意味着复合材料中逾渗网络的形成,且流变阈值为0.2 wt%。
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