聚酰胺酰亚胺基三元导电复合材料的制备与表征

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如今,导电高分子复合材料(CPCs)由于其独特的性能,在能源、光电子器件、传感器、分子导线等领域有着广泛的应用。然而,传统聚合物主链为非共轭结构,其电导率极低。通过在聚合物基体中添加导电填料,可以有效改善聚合物复合材料的导电特性。但过量的导电填料不仅会造成生产成本上升,还会造成力学性能下降。本论文采用三元共混的策略,以聚酰胺酰亚胺(PAI)为基体,利用不同导电填料之间的协同相互作用,制备并表征了三类三元导电复合材料,主要研究内容如下。(1)通过在聚酰胺酰亚胺/聚苯胺(PAI/PANI)二元复合材料中添加改性多壁碳纳米管(FMWCNT),成功制备了PAI/PANI/FMWCNT三元导电复合薄膜。研究表明,随着FMWCNT含量的增加,三元复合薄膜的电导率逐步增加,当FMWCNT的添加量达到10 wt%时,三元复合薄膜的电导率比PAI/PANI二元和PAI/FMWCNT二元复合薄膜的二者之和还要高,达到了8.3 S/m。另一方面,相比于PAI/PANI二元复合薄膜,PAI/PANI/FMWCNT三元复合薄膜的拉伸强度增加了40%,达到35 MPa。红外光谱(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)及场发射扫描电子显微镜(FESEM)结果表明,导电填料和聚合物基体之间存在氢键相互作用,有利于改善导电填料(PANI和FMWCNT)在聚合物(PAI)基体中的分散,形成紧密连续的导电网络,进而提高了三元复合材料的电导率和力学性能。(2)为了进一步改善PAI复合薄膜的导电性能,通过在PAI/FMWCNT二元复合材料中添加科琴黑(ECP),成功制备了PAI/FMWCNT/ECP三元导电复合薄膜。研究表明,PAI/FMWCNT/ECP三元复合薄膜的电导率随着ECP含量的增加而提高。当ECP的含量增加到15 wt%时,三元复合薄膜的电导率达到了100.9 S/m,几乎是PAI/ECP二元和PAI/FMWCNT二元复合薄膜两者之和的三倍。另一方面,三元复合材料的力学性能也随着ECP含量的增加而提高,当ECP含量达到8 wt%时,相比于PAI/FMWCNT二元复合薄膜,三元复合薄膜的拉伸强度增加了74%,达到了70 MPa。当ECP含量超过8 wt%,PAI/FMWCNT/ECP三元复合薄膜的拉伸强度有所下降,这是因为导电填料在聚合物基体中大规模团聚,形成了应力集中点。(3)通过在PAI/PANI二元复合材料中添加导电炭黑(CB),成功制备了PAI/PANI/CB三元导电复合薄膜。研究发现,CB的加入极大地改善了PAI复合薄膜的电导率,当CB含量达到10 wt%时,PAI/PANI/CB三元复合薄膜的电导率达到了1160 S/m,远远高于PAI/PANI二元和PAI/CB二元复合薄膜两者之和。另一方面,相比于PAI/PANI二元复合薄膜,三元复合薄膜的拉伸强度由21 MPa增长到38 MPa,其增长幅度高达80%。FTIR、DSC及FESEM结果表明,CB的加入,增强了导电填料与聚合物基体之间的氢键相互作用,从而使导电填料均匀分散在PAI基体中。同时随着CB含量的增加,导电网络更加密集。当CB含量超过10 wt%时,导电填料在聚合物基体中出现团聚,造成力学性能下降。
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