聚乙烯基石墨复合材料的电性能及其外场响应行为的研究

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本论文以研究高分子导电复合材料的结构形态及其导电性能的外场响应行为为目的,以聚乙烯(PE)为基体,马来酸酐接枝聚乙烯(gPE)为插层剂,膨胀石墨(EG)为导电填料,分别采用溶液插层(SI)法、直接熔体混合(DMM)法、两者相结合的熔体母料混合(MMM)法以及挤出.模压(EC)法制备了PE/gPE/EG导电复合材料(gPE/EG=60/40 w/w)。对MMM法制备复合材料的加工条件进行了优化(简称优化KC法),通过与未优化KC法及EC法制备的复合材料性能的对比,借助SEM和OM等手段,研究了复合材料的加工-结构-性能关系;研究了SI法和DMM法制备的复合材料电性能对温度、压力及电场强度的依赖性,探讨了复合材料的导电机理,得到了以下主要研究成果: (1) 优化KC、EC和未优化KC法制备的复合材料的逾渗阈值(Cw,c)分别是6.15%、7.63%和10.42%,不同路线或条件制得复合材料的导电性高低有优化KC法>EC法>未优化KC法的关系,而拉伸强度的关系与之相反;以SEM和OM对复合材料的形态研究表明,优化KC法复合材料中EG破碎程度较小,因而粒子内部EG-聚合物复合结构的规整性较高,而EC法复合材料和未优化KC法复合材料中,挤出或捏合时EG粒子的破碎程度增大,导致EG粒子内部EG-聚合物复合结构的规整性降低。随捏合时间延长,材料中EG粒子尺寸、形状比和占有体积明显减小。 (2) SI法和DMM法复合材料在形态上的差异导致了其PTC行为上的差异。两种复合材料的PTC强度都随EG含量的增加而降低,在Cw=15%时,SI和DMM制备的复合材料的PTC强度分别是1.10和3.22,后者几乎是前者的三倍。聚乙烯基石墨复合材料的电性能及其外场响应行为的研究可见,两种方法制备的复合材料的PTC强度与导电填料的含量没有直接的关系,而只与复合材料的室温电阻率切v)有关,并且逾渗阐值低的复合材料(sI法)没有逾渗闺值高的复合材料(D MM法)的PTC强度高。 (3)SI法和DMM法复合材料的轴向和非轴向压阻特性都在低EG含量时出现负压力系数效应,在高EG含量时出现正压力系数效应(P PcR)。9%、12%和15%EG含量的sI法制得的复合材料p、伽PCR效应时室温p,与最小p,之比)分别为3.13、3.5和4.14,即电阻率越低的复合材料,其NPCR效应越明显,复合材料的非轴向压阻特性也表现出相同的趋势。 (4)在低电场范围内,Sl法和DMM法制备的复合材料的J-E曲线都具有很好的线性关系,整个实验电场范围内,SI法和DMM法复合材料的J-E曲线分为线性和非线性区两段,复合材料都具有可逆非线性导电性,且其非线性程度与复合材料的电阻率有关,电阻率越高,则复合材料在外电场下的非线性行为越明显。DMM法比SI法制备的复合材料的非线性行为明显,并且随EG含量的增加,两种复合材料的非线性程度皆减弱。本研究所确定的复合材料的非线性指数x的实验值为1.07,说明复合材料的非线性是由DRRN和NLRRN网络对外电场响应的共同作用结果。关键词:膨胀石墨,聚乙烯,导电复合材料,加工一结构一性能关系,PTC效应, 压阻特性,伏安特性
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