石墨填充多相高分子导电复合材料电性能研究

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高聚物基导电复合材料可以在高温条件下减小甚至切断电流,起到自主控温作用或者达到过流和过热保护的目的。该类材料目前广泛地适用于电路过载保护器件、自限温材料、压敏传感器以及电磁屏蔽材料等。但是目前的导电复合材料还有很多需要解决的理论以及应用方面的问题,主要问题是多数导电复合材料的室温电阻率和渗流阈值都比较高,且电性能稳定性差。这些存在的缺点限制了导电复合材料的进一步工业化应用和推广,如何降低导电填料填充量并且提高复合材料的导电性以及电性能稳定性已成为导电复合材料研究的主要方向。本论文以聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)为基体,选用我国储存量大,价格低廉的石墨粉体作为导电填料,利用熔融共混法制备导电复合材料。重点研究了聚丙烯的引入对体系的电性能及结构形态的影响。详细讨论了PP相的加入对石墨粒子的分散状况、室温电阻率、阻温特性以及电性能稳定性的影响,探讨了双基体导电复合体系导电机理和制备工艺。主要研究结果如下:(1)室温电阻率测试结果说明:在GP/HDPE体系中加入PP,导电复合材料的室温电阻率显著下降。在同等石墨填充量下,GP/HDPE/PP复合体系的电阻率较GP/HDPE下降了1-4个数量级,当HDPE/PP=1/1时,复合材料的导电性能最佳。(2)SEM观察发现:在GP/HDPE导电复合体系中,石墨粒子均匀分散在HDPE基体中,许多地方没有出现连续性分布。在GP/HDPE/PP导电复合体系中,GP分散在体积分数较大的相(HDPE相),另一相中(PP相)则较少有石墨填料分布,导电复合体系中HDPE与PP出现双连续相分布,形成双渗流结构。(3)阻温特性测试曲线表明:结晶度较高的GP/HDPE复合材料的PTC强度最大,GP/HDPE/PP复合体系的最大PTC强度略小于GP/HDPE复合体系,PTC-NTC转变温度升高,NTC效应得到减弱。(4)PTC效应的稳定性测试表明:以HDPE为基体时,经过三次循环,材料室温电阻率下降约1.5个数量级,而且体系的稳定性差,不宜长期应用,PTC强度随热循环次数增加而略有降低。GP/HDPE/PP复合体系的室温电阻率下降较小且具有良好电性能稳定性。经过氧化处理的石墨填料填充HDPE/PP混合基体的热循环稳定性提高,成核剂的添加提高了复合体系的电性能稳定性。(5)加工工艺测试表明:复合材料的加工工艺对导电复合材料的电性能影响较大,GP/HDPE/PP复合材料的最佳熔融温度是180-190℃;确定一定搅拌速率情况下,最佳混炼时间是5min左右;最佳混炼顺序是(GP+HPDE)+PP;经过缓慢冷却处理的试样的室温电阻率要低于空气冷却的试样。(6)热处理对电性能稳定性测试结果:在80℃对试样进行处理时,整个复合体系的室温电阻率都呈现出上升趋势,随着热处理时间的增加,最后趋于平稳,GP/PP复合体系的上升幅度最大;在120℃对试样进行处理时,GP/HDPE复合体系室温电阻率下降约0.7个数量级,GP/HDPE/PP复合体系的室温电阻率下降幅度较小,下降了约0.3个数量级。
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