多壁碳纳米管/聚醚醚酮复合薄膜的制备及性能研究

【摘要】聚醚醚酮作为一种半结晶型特种工程塑料，因其优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐热性能以及绝缘性能等，而使其在电子信息、航空航天、石油化工、医疗卫生等高技术领域得到了广泛的应用。高介电常数复合材料和导电复合材料因其重要的应用价值，日益引起科学研究领域和工业领域的广泛关注。多壁碳纳米管因其独特的管状结构、纳米尺寸、优异的电性能、良好的热性能以及杰出的机械性能等使其成为了制备高介电常数复合材料和导电复合材料的理想填料。本论文以“多壁碳纳米管/聚醚醚酮复合薄膜的制备及性能研究”为研究主线，期望能够制备具有高介电常数或者导电性能的多壁碳纳米管/聚醚醚酮复合薄膜，并以此为出发点展开了一系列工作。为了能够在较低多壁碳纳米管导电填料含量下，制备具有高介电常数的聚醚醚酮复合薄膜，我们首先对多壁碳纳米管进行了聚醚砜（PES）包覆处理，然后通过预混、熔融共混挤出牵引成膜的方式制备出多壁碳纳米管/聚醚醚酮高介电复合薄膜，并对复合薄膜的介电常数、介电损耗、机械性能、热性能等进行了表征。结果发现多壁碳纳米管填料在聚醚醚酮基体树脂内分散较为均匀，并且在多壁碳纳米管填料的体积分数为0.68%时可以获得最高介电常数，该薄膜在频率103Hz时，其介电常数值为367.2是纯聚醚醚酮薄膜的100倍。而对复合薄膜材料的介电损耗测试发现，在频率103Hz时，所制得的介电损耗值均低于0.3，介电损耗值是比较低的。这一方面缘于多壁碳纳米管所具有较高的长径比、大的比表面积、较小的纳米尺寸以及优良的导电性；另一方面对多壁碳纳米管的包覆处理也是至关重要的，因为经过PES的包覆处理，在增强多壁碳纳米管与聚醚醚酮树脂相容性的同时，也避免了多壁碳纳米管的自身团聚，更利于多壁碳纳米管在聚醚醚酮基体内形成类似于微型电容器的结构。以至于在添加较低含量导电填料时，可以制备出高介电常数、低介电损耗的高介电常数复合薄膜。通过对复合薄膜力学性能和热学性能的测试发现，制备出的多壁碳纳米管/聚醚醚酮复合薄膜材料除了具有好的介电性能还具有优异的力学性能和热稳定性，这也使得制备的复合薄膜能够满足更为苛刻环境的使用要求，很大程度上扩展了聚醚醚酮的使用范围。多壁碳纳米管作为优异的导电填料，既然在较低填料量下可以制备出高介电常数复合薄膜，那么在较高填料量下也应该可以制备出导电复合薄膜。以此为出发点，我们接着对多壁碳纳米管/聚醚醚酮导电复合薄膜的制备和性能进行了研究。为了不影响多壁碳纳米管本身的导电性能，我们不再对多壁碳纳米管进行包覆处理，而是通过在熔融共混时加入适量高温润滑剂的方式来改善复合材料的流动性和多壁碳纳米管在聚醚醚酮基体树脂内的分散性。对制备的复合薄膜进行电性能的测试发现：在多壁碳纳米管填料量为4.76vol%时，其交流电导率能够提升到4×10-4S/m。对于复合薄膜材料，横纵向拉伸对其分子链排布及其填料的分散性是有一定影响的，以此为出发点探究了横纵向拉伸对复合薄膜电性能的影响。结果发现适当的纵向拉伸对高含量多壁碳纳米管的聚醚醚酮复合薄膜电性能的提高是有利的，而横向拉伸对复合薄膜电性能的提高是不利的。另外，由于牵引成膜这种制备方式存在牵引力，为了消除薄膜制备过程中牵引力等对多壁碳纳米管分散性的影响，我们对薄膜材料进行了热压处理，经热压后薄膜的导电性能会进一步提升，对于多壁碳纳米管填料量为4.76vol%的聚醚醚酮复合薄膜来说，其交流电导率提升到了2.2×10-2S/m。通过对复合薄膜的力学性能和热性能的测试分析，可以得出制备的多壁碳纳米管/聚醚醚酮导电薄膜还具有良好的机械性能和热稳定性，是一类具有优异综合性能的导电薄膜材料。
【作者】李文雷；
【导师】张淑玲；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】多壁碳纳米管；聚醚醚酮；复合薄膜；高介电常数；电导率；

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