尼龙6导电薄膜电卡效应的研究

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电卡效应是指导电介质在电场施加或移除过程中有等温熵或绝热温度变化的效应。电卡效应因其具有高效环保的制冷效果而备受关注。  尼龙6(PA6)是一种强极性、分子间能形成氢键,具有一定反应活性的结晶性聚合物,其所含的酰胺基团具有很强的极性,而酰胺基团与金属离子的络合配位反应可以破坏尼龙6分子体系的氢键结构,最终影响尼龙6结晶性。离子液体是指一种由有机阳离子和无机阴离子组成的在常温下呈液态的导电液体。离子液体因其具有热稳定性好、电导率高、电化学窗口宽、不挥发、不燃烧等特点,成为当前研究热点的新一代功能材料。  本文以尼龙6作为基体,加入石墨烯、氯化钙、离子液体(1-丙基-3-甲基咪唑氯盐(PMIMCl)/1-丙基-3-甲基咪唑溴盐(PMIMBr)制备成尼龙6基复合材料,使其成为复合导电薄膜,并研究了不同改性剂及其体积掺量等因素对导电薄膜电卡效应的影响。利用 X射线衍射(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)分别对薄膜施加电场前后结晶度进行表征,采用电子扫描显微镜(SEM)对导电薄膜在施加电场前后的微观结构进行了原位观察分析,采用微量热仪测试了其电卡效应的大小。采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)对薄膜的正负电极接触位置及中间部位进行了浓度的测定。  尼龙6/石墨烯体系中,通过加入石墨烯来改变尼龙6的结晶度,从而改变其熵变。氯化钙体系下的原理就是保证整个体系在电场的作用下有离子向电极两边扩散,以破坏酰胺基团与金属离子的络合配位反应,最终使其结晶度升高;当移除电场后,离子自由扩散,酰胺基团重新与金属离子进行络合配位,使得尼龙6的结晶度降低,此过程中产生绝热温度的变化,形成电卡效应。  实验结果表明,施加电场前后薄膜的微观结构、结晶度与结晶形态发生了很大的变化,通过SEM的原位观察发现此种现象具有很强的重现性。本文利用微量热仪对电卡效应进行直接测量的结果表明,施加电场时,石墨烯含量为5%的尼龙6/石墨烯放热量为0.05W,而含量为1%和2.5%的薄膜放热量为0.005W,氯化钙含量为10%和15%的尼龙6/CaCl2薄膜放热量分别为0.02W和0.006W,氯化钙含量为5%、PMIMBr含量为10%时,其薄膜放热量为0.01W。
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