碳-聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、納米石墨片導(dǎo)電性好、徑厚比大,被廣泛應(yīng)用于聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料,將其與其它導(dǎo)電填料或增韌填料復(fù)合可以制備性能優(yōu)良的導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。本文首先將二維的納米石墨片(GNPs)與一維的碳納米管復(fù)合(CNTs)制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料,通過XRD、SEM等表征技術(shù)對(duì)填料和復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行了分析,通過兩探針法測(cè)量了復(fù)合材料的體積電阻率,詳細(xì)研究了聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理和不同幾何形狀的填料配比對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性的影響,分析了不同形狀填料間

2、的協(xié)同作用。在此基礎(chǔ)上分別以GNPs為導(dǎo)電填料、納米碳酸鈣為增韌填料制備了環(huán)氧樹脂基導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。詳細(xì)考察了GNPs和納米CaCO3的含量對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性及斷裂韌性的影響,分析了二者的協(xié)同導(dǎo)電及增韌作用機(jī)制。最后我們選取不同GNPs含量的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備活性炭,通過SEM、TEM等技術(shù)對(duì)活性炭材料的微觀形貌進(jìn)行了分析,并通過循環(huán)伏安、交流阻抗等測(cè)試方法對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。
　　 本文首先采用溶液共混法制備了硅橡

3、膠/GNPs復(fù)合材料,并考察了GNPs含量對(duì)其電性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著GNPs含量的增加復(fù)合材料的導(dǎo)電性單調(diào)增加,在含量為3wt.％時(shí)達(dá)到其滲濾閾值。而將GNPs和CNTs共同作為導(dǎo)電填料加入聚合物中時(shí),隨著導(dǎo)電填料中CNTs含量的增加,復(fù)合材料的導(dǎo)電先增加,然后在CNTs和GNPs質(zhì)量比為3:7時(shí)達(dá)到極值(比硅橡膠/GNPs復(fù)合材料的電導(dǎo)率高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)),隨著CNTs含量的繼續(xù)增加,復(fù)合材料的導(dǎo)電性反而下降。這是由于CNTs分散

4、在GNPs表面,阻止了GNPs的團(tuán)聚,其自身的分散也得到提高,同時(shí)CNTs連接相隔較遠(yuǎn)的GNPs,更容易搭建成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),這兩種不同形狀的填料在復(fù)合材料中表現(xiàn)出顯著的協(xié)同作用,使得含兩種填料的復(fù)合材料的導(dǎo)電性高于任意一種填料的復(fù)合材料。
　　 分別以GNPs為導(dǎo)電填料、納米CaCO3為增韌填料制備了環(huán)氧樹脂基導(dǎo)電復(fù)合材料,研究發(fā)現(xiàn)作為導(dǎo)電填料GNPs的加入可以顯著提高聚合物的導(dǎo)電性,但是由于GNPs與聚合物基體的弱結(jié)合,導(dǎo)致了復(fù)合

5、材料斷裂韌性下降,納米CaCO3雖然可以顯著提高復(fù)合材料的斷裂韌性,但是卻無法改善復(fù)合材料的電性能。將GNPs、納米CaCO3共同作為填料制備聚合物復(fù)合材料則可以兼顧材料的電性能和力學(xué)性能,而且二者之間具有很好的協(xié)同作用。在保持填料總含量不變時(shí)隨著復(fù)合粉體中CaCO3含量的增加,復(fù)合材料的電導(dǎo)率先增大后減小,當(dāng)CaCO3和GNPs質(zhì)量比為1:9時(shí)達(dá)到極值。這說明片層結(jié)構(gòu)的GNPs和球形的CaCO3之間存在很好的協(xié)同作用,加入適量的CaC

6、O3能促GNPs的分散,提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。但是CaCO3為絕緣填料,過量的CaCO3覆蓋在GNPs表面則會(huì)破壞復(fù)合材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),從而使復(fù)合材料的導(dǎo)電性下降。另一方面復(fù)合材料的斷裂韌性隨CaCO3含量的增加單調(diào)遞增,這是因?yàn)镃aCO3有很好的增韌作用,復(fù)合材料中只含有CaCO3時(shí)其斷裂韌性達(dá)到2.7 MN·m-3/2。
　　 將不同GNPs含量的環(huán)氧樹脂/GNPs導(dǎo)電復(fù)合材料作為前驅(qū)體,經(jīng)過碳化活化后得到活性炭材料。由于GN