溶液流延法制备PVB基导电梯度功能材料的形成机制研究

发布时间：2020-03-04 21:55

【摘要】：聚合物基导电复合材料(Conductive Polymeric Composites，简称CPCs)具有电阻可调、加工性能良好、成本低廉等特点，在导电聚合物材料中占据主要地位。目前，复合型导电材料大多数都为均质结构，需要高的导电粒子填充量才能实现其导电性能的逾渗转变，这不可避免地导致材料力学性能的大幅度下降。本课题将“梯度”的概念引入填充复合型聚合物导电材料中，将材料的“导电”性能和“梯度结构”巧妙地结合起来，借助Stokes原理，运用溶液流延法制备了金属填充型聚合物基梯度功能材料，很好地解决了力学性能和电学性能间的突出矛盾。本论文以聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral，简称PVB)为溶质，乙醇为溶剂，制备了不同浓度的溶液，并对该溶液的特性、填充粒子在溶液中的沉降行为，以及材料的梯度形成机制进行了研究。结果表明，粒子在PVB/乙醇溶液中的沉降速度受溶液浓度、溶剂挥发速率、粒径、粒子与溶液的密度差等因素的影响；其沉降行为可以近似地用Stokes方程进行描述；实际沉降速度ν_m与理论沉降速度ν_t的关系式为：νm=A+Bν_t；理论推导表明，临界粘度η_c可用下式计算：对于PVB/Cu/乙醇体系，梯度成型的临界浓度C_c约为0.27。借助于上述方法，本文分别以Cu、Ni等导电粒子为填料，制备了一系列PVB基导电梯度功能材料，考查了粒子含量及粒子形状等因素对材料结构和性能的影响。材料横断面的扫描电镜(SEM)照片和能谱(EDS)扫描证明，填料在材料横断面垂直方向上呈梯度分布，说明本方法能成功制备聚合物基梯度材料。电学性能研究结果表明，材料两侧在导电性能上有重大差别，富含树脂一侧的表面电阻率始终保持在10~16Ω左右的数量级，而富含导电粒子的一侧的表面电阻率降为10~6Ω数量级左右，电性能的逾渗转变发生在导电填料含量为3.0～4.5vol.%之间，而达到同等导电水平的均质复合导电材料的逾渗值约在16vol.%左右。力学性能研究结果表明，材料的力学性能随填料含量的增加下降幅度较小，与均质导电复合材料随导电填料含量增加而下降的现象有明显区别。电磁屏蔽效能测试表明，所制备材料具有良好的电磁屏蔽效能，其屏蔽效能约在30-51dB。研究结果表明，以Stokes法则为理论指导，运用溶液流延技术，一步成型梯度材料的方法，，是制备填充型聚合物基梯度功能材料的一条新途径。用本方法制备的聚合物基导电梯度功能材料能有效兼顾材料的电性能和力学性能。
【图文】：

组分分布

1.2 梯度功能材料的产生与发展人类应用功能梯度材料已有几千年的历史，但这种应用并不是一种有意识2]。直到 1956 年，Goetzel 等应用浸透法制作了金属陶瓷复合材料，其中包括研究梯度功能材料的思想方法[1]；1972 年，Bever 和 Duwez[3,4]提出了使材料梯度变化的一些建议，由此形成了梯度材料这一概念，但并没有以一种规范 1.1 FGM 的结构和组分分布示意(□A 相物质；■B 相物质)图 1.2 FGM 的性能分布示意①组分 A 的物性 ②组分 B 的物

示意图,示意图,梯度功能材料,浸透法

【参考文献】