基于生物降解复合材料的结构设计与导电性能的研究

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导电高分子复合材料(CPCs)是由导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨烯和金属粒子等)和高分子基体复合制备得到。为了使导电高分子材料达到所需要的导电性能,通常需要添加较多的导电填料,这不仅增加了复合材料加工成型的难度,同时还会损害材料的力学性能。因此,降低导电高分子材料的导电填料含量并能得到较好的导电性能是高分子基导电复合材料研究的重要方向。本文以PLA、PBAT、超导炭黑为原料,通过熔融密炼的手段制备了一系列的导电复合材料。研究了不同炭黑含量对导电复合材料力学性能、动态热机械性能、结晶性能和导电性能的影响。此外,通过对导电复合材料的微观结构的调控来研究复合材料微观结构对导电性能的影响。将聚乳酸(PLA)、超导炭黑(CB)通过熔融共混制备出PLA/CB导电复合材料。采用万能拉伸试验机、动态热机械分析仪、DSC、高阻计、SEM等仪器来研究不同CB含量对共混复合材料的力学、动态热机械、结晶和电性能的影响以及复合材料的微观形貌。结果表明,2.5 wt%含量的CB的加入使PLA/CB复合材料的拉伸强度达到76.6MPa,优于PLA自身强度,但复合材料的断裂伸长率从19.7%降到了9.8%。复合材料的初始储能模量、结晶度也随着CB的加入而增加。CB的加入提高了复合材料的导电性能,导电复合材料的电导率与CB含量的关系属于典型逾渗行为,PLA/CB导电复合材料的逾渗阈值为0.49 wt%。将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、CB通过熔融共混制备出PBAT/CB导电复合材料。采用万能拉伸试验机、DSC、XRD、高阻计、SEM等仪器设备研究了不同CB含量对共混复合材料的力学性能、结晶性能、电性能等的影响以及复合材料的微观结构。结果表明,CB的加入使PBAT/CB复合材料的拉伸强度、断裂伸长率变差,拉伸强度从21.5 MPa降至13.6 MPa,断裂伸长率从1851.2%降至621.9%。CB的加入也使PBAT/CB复合材料的结晶度降低,但对PBAT晶体结构并没有产生太大影响。复合材料的导电性能因为CB的加入而提高,复合材料的电导率与CB含量的关系属于典型逾渗行为,PBAT/CB导电复合材料的逾渗阈值为1.98 wt%。将PLA、PBAT、CB通过熔融共混制备PLA/PBAT/CB导电复合材料。从热力学角度预测了CB在复合材料中的选择性分布。通过SEM、偏光显微镜、高阻计等仪器研究了不同PLA、PBAT组分比(CB含量一定)对导电复合材料微观结构以及导电性能的影响,发现当PLA与PBAT的组分比为1:1时,导电复合材料形成了共连续结构。为了研究共连续结构的PLA/PBAT/CB复合材料的电导率与CB含量的关系,制备了一系列CB含量不同,PLA、PBAT组分比为1:1的导电复合材料。共连续结构的PLA/PBAT/CB复合材料的电导率与CB含量的关系依然属于经典逾渗行为,共连续结构的导电复合材料的逾渗阈值降低至0.42 wt%,低于PLA/CB与PBAT/CB导电复合材料的逾渗阈值。同时还探究了改变PLA、PBAT、CB的共混加工顺序对体系电性能的影响,发现共混加料顺序的改变对材料的导电性有一定影响。
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