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将导电填料炭黑和碳纳米管分散到聚合物基体中制得导电复合材料,当炭黑和碳纳米管的含量超过某一临界值(称为逾渗阈值)时,复合材料的电阻率出现显著的下降。进入导电区的复合材料接触到有机溶剂或蒸汽时,由于吸附有机溶剂或蒸汽而使聚合物基体产生溶胀或溶解,导致复合材料内部的炭黑粒子和碳纳米管逾渗通道被破坏,复合材料的电阻显著变化。
本论文采用原位聚合法制备了不同导电填料含量、不同聚合物组分比例的炭黑/聚乙二醇/聚甲基丙烯酸甲酯(CB/PEG/PMMA)、炭黑/聚乙二醇/聚甲基丙烯酸丁酯(CB/PEG/PBMA)、多壁碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯(MWNTs/PMMA)、多壁碳纳米管/聚甲基丙烯酸丁酯(MWNTs/PBMA)导电复合材料,用扫描电镜(SEM)、热失重分析(TG)、差热分析(DSC)等手段检测导电气敏复合材料的形貌、热性能等,测试电阻率变化规律及对饱和有机蒸汽的电阻响应性能。实验结果表明,这些复合材料具有较低的逾渗阈值,炭黑粒子和碳纳米管在复合材料中改的分布比较均匀。而且,当炭黑含量一定时,复合材料中PEG与MMA、 BMA的比例对材料的电阻率有较大的影响,适当调整PEG与BMA的比例可以改善导电复合材料的导电性能。当PEG/MMA质量比为10/80时,炭黑质量百分数为8wt%的复合材料对有机蒸汽产生显著响应,随着结晶型PEG加入量的增加,复合材料对有机蒸汽响应显著降低,响应时间缩短。比较CB/PEG/PMMA和CB/PEG/PBMA复合材料在各种有机蒸汽的电阻响应程度,前者的电阻响应程度远比后者高。
通过对MWNTs//PMMA、MWNTs//PBMA导电性能的比较发现,MWNTs//PBMA的逾渗范围和逾渗阈值要高于MWNTs//PMMA,MWNTs/PMMA复合材料的MWNTs含量在4%时,对于氯仿和乙酸乙酯的响应达到104以上,MWNTs/CB/PMMA复合材料的MWNTs/CB含量在7.5%时,对于苯和氯仿的响应达到104。CB/PEG/PMMA、MWNTs/PMMA和MWNTs/CB/PMMA复合材料在CH3COOC2H5、丙酮、CHCl3和C6H6等PMMA的良溶剂中的电阻响应程度较高,可达103~104。而在二甲苯、乙酸、甲醛等PMMA的非溶剂蒸汽中几乎没电阻响应。而CB/PEG/PBMA、MWNTs/PBMA复合材料对各种有机溶剂蒸汽的电阻响应均较差,这与PBMA的分子链柔顺性(玻璃化温度Tg)较大,结构较PMMA松散有关。
为了改善碳纳米管在聚合物中的分散性,提高复合材料的性能,本文对多壁碳纳米管进行了接枝改性。用分步反应方法成功地将聚乙二醇(PEG)接枝到多壁碳纳米管的表面。观察产物在水中溶解和分散情况发现,MWNTs-PEG在水中静置15天之后仍能保持良好的分散性,表明采用亲水性很强的PEG对碳纳米管进行表面修饰,可提高碳纳米管在水中的分散性。