聚苯胺/环氧形状记忆复合材料的制备及性能研究

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形状记忆聚合物是一种新型高分子智能材料,适应不同工程应用环境需求的多功能化研究是其发展的大趋势。在当前的电子工程领域,智能化、便携式和低成本是电子产品行业发展的大方向,对于形状记忆聚合物这类新型智能材料的需求极为迫切。而形状记忆聚合物材料的绝缘性是其在电子工程领域中应用的技术瓶颈。因此开发新型的具有导电能力的形状记忆聚合物材料,对于推动形状记忆聚合物在电子工程领域的应用具有极为重要的意义。本论文综合利用环氧形状记忆聚合物和导电聚苯胺两种材料各自的功能特性,利用机械共混的方法制备了一系列具有显著形状记忆效应的聚苯胺/环氧形状记忆复合材料,对其进行掺杂处理以实现导电功能,并对其热力学性能、导电性能和形状记忆效应展开研究。(1)所制备的聚苯胺/环氧形状记忆聚合物具有较好的热力学性能和优异的形状记忆效应。随着聚苯胺含量的增大,复合材料的热分解温度和玻璃化转变温度均先升高后降低,热分解温度在聚苯胺含量为4wt%时达到最大值,为244℃;玻璃化转变温度在聚苯胺含量为10wt%时达到最大值,为41℃。静态拉伸实验结果表明,随着聚苯胺含量的增加,复合材料的拉伸强度和弹性模量均先增大后减小,而断裂伸长率逐渐降低。当聚苯胺含量为8wt%时,拉伸强度达到最大值,为35MPa。动态力学性能测试结果表明,随着聚苯胺含量的增加,材料的储能模量逐渐增大,损耗因子的峰值逐渐降低,损耗因子峰值对应的温度先增大后减小。对所制备的材料在玻璃化转变温度以上进行预变形处理,其形状固定率均在98.9%以上,形状回复率均可接近100%。(2)对聚苯胺/环氧形状记忆复合材料进行掺杂处理以实现其导电性能,并研究影响导电性能的掺杂处理参数并对其进行优化。考察压片成型处理后的纯聚苯胺的导电性能,其电导率为0.94S/cm。比较有机酸(樟脑磺酸)和无机酸(盐酸)掺杂处理效果,结果表明盐酸的掺杂效果更佳。在相同掺杂时间下,随着HCl浓度的增加,复合材料的电导率先升高后降低,当HCl浓度为1mol/L时,复合材料的导电率最高;使用相同浓度的盐酸进行掺杂处理时,发现掺杂时间为2h时材料的电导率最高;在1mol/L HCl浓度、掺杂时间2h的掺杂条件,发现随着聚苯胺含量的增加,复合材料的电导率先升高后降低,当聚苯胺含量为12wt%时,复合材料的电导率最高。因此,聚苯胺/环氧形状记忆复合材料导电性能优化结果为:当聚苯胺含量为12wt%,HCl浓度为1.0mol/L和掺杂时间为2h时,复合材料的电导率最高,为2×10-3S/cm。对掺杂之后的材料进行热力学性能表征的结果表明,掺杂处理削弱了聚苯胺含量对复合材料热稳定性、玻璃化转变温度及力学性能的的影响规律。(3)研究掺杂处理对材料形状记忆效应的影响。重点比较了聚苯胺含量为12wt%的复合材料经1mol/L HCl掺杂2h前后的热驱动形状记忆效应,并对其电驱动形状记忆效应展开研究。结果表明:掺杂后复合材料的热稳定性和Tg均有所降低;复合材料的拉伸强度由28.5MPa下降为12.5MPa;弹性模量由284.4MPa下降为105.3MPa;而复合材料的断裂伸长率由11.6%增至12.7%。另外,在掺杂前后复合材料的硬度由100HA下降至93HA。动态力学性能测试结果显示掺杂处理使得材料的刚性和阻尼性能降低。从电驱动形状记忆效应测试中发现,通过向预变形处理后的材料的两端施加120V及以上电压,材料均可完全回复。随着驱动电压的升高,材料的形状完全回复时间逐渐减少。综上所述,掺杂后的复合材料具有优异的热驱动和电驱动形状记忆效应。
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