电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响.pdf

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电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响1 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响2 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响3 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响4 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响5 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响6 电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响7
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电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响85电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响EffectofElectricFieldInducedonPropertyofUnsaturatedPolyesterResin/CarbonFibre/NanosizeCarbonBlackComposite赵博,李晓刚,高瑾,杜翠薇(1北京科技大学腐蚀与防护中心,北京100083;2北京科技大学腐蚀与防护教育部重点实验室,北京100083)——’ZHAOBo,LIXiaogang,GAOJin,DUCuiwei(1CorrosionandProtectionCentre,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2KeyLaboratoryofCorrosionandProtection(MinistryofEducation),UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)摘要:采用不饱和聚酯树脂(UPR)、导电炭纤维(CF)和纳米炭黑(CB)制备了一种复合材料,对比分析电场诱导对材料的电学性能和基本力学性能的影响。结果表明:在导电填料添加适量的情况下,采用0.3V//xm的直流电场诱导可以提高复合材料的导电能力,并表现出一定程度的各向异性。其中CB的添加量为0.5phr时,复合材料的电场诱导效果最佳;CF添加量为3,6,9phr的复合材料在电场线轴向的体积电阻率分别降低了46.8,29.0,12.5,在电场线法向的体积电阻率分别降低了28.6,18.8,8.3。同时,电场诱导基本没有改变复合材料力学特征,复合材料的基本力学性能与常规成型基本保持一致。关键词:不饱和聚酯树脂;电场诱导;电学性能;力学性能—doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.04.016中图分类号:TQ327.3文献标识码:A———文章编号:10014381(2013)04008507Abstract:Atypeofcompositewasmadeofunsaturatedpolyesterresin(UPR),carbonfibre(CF),and—nanosizecarbonblack(CB).Theelectrica1andbasicmechanica1propertiesofthecompositewithelectricfieldinducedandconventionalmoldingwascomparedandanalyzed.Theresultsshowedthatthe—conductivityofcompositewasanisotropicandcouldbeenhancedwhenthefillingamountwasappropriatewith0.3V/urndirectcurrent(DC)electricfieldinduced.ThebestCBfillingamountwas—0.5phr.Atthattime,thevolumeresistivityofcompositewithCFfillingamountwas3,6,9phrre—duced46.8,29.0%,12.5ataxialdirection,and28.6,18.8,8.3atnorma1directionofelectricfieldline.Meanwhile,thebasicmechanicalpropertiesofcompositewasnotchangedbyelectricfieldinduced,andmaintainedsubstantiallyconstant.Keywords:unsaturatedpolyesterresin;electricfieldinduced;electricalproperty;mechanicalproperty传统高分子材料多为优良绝缘体,体积电阻率高“达1O~1O。Q・cm,容易积累静电,限制其在矿山、化工等行业中的应用口]。通过与其他导电材料共混、复合改性的方法制备出的复合型高分子抗静电材料,因加工成型工艺简单,经济以及适合大批量工业化生产等特点,具有较大的市场潜力[391。通常共混的导电填料有金属系填料、金属氧化物系填料和碳系填料等。其中碳系填料因较好的稳定性和经济性,得到较广泛的应用。一般情况下,材料的电阻率小于1OQ・cm基本可以有效消除静电荷积累,但部分苛刻的应用场合往往对材料的导电能力提出更高的要求。因此,提高导电能力是目前复合材料研究的重要方向之一。理论上增加导电填料的添加量与缩小导电填料的粒径是最佳提高导电能力的方法,但是填料的添加量和比表面积过大会导致填料团聚或材料内部缺陷,“致使复合材料的导电能力与力学性能降低_1],同时提高生产成本。因此,通过电场诱导实现填料粒子在聚合物基体中的取向排列,进一步增强复合材料包括电场诱导对不饱和聚酯树II ̄'/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响87畲岜CBcontent/phrCBcontent/phrCBcontent/phr图2电场诱导对UPR/CF/CB复合材料体积电阻率的影响(a)CF=3phr;(b)CF一6phr;(c)CF=9phrFig.2TheeffectofelectricfieldinducedonvolumeresistivityofUPR/CF/CBcomposite(a)CF=3phr;(b)CF=6phr;(c)CF=9phr导致胶液黏度过高,增加导电填料分散难度,材料内部气孔等缺陷增多,导致复合材料的体积电阻率上升。从图2中还可以看出,电场诱导可以同时降低复合材料在电场线轴向和法向的体积电阻率,其中轴向的体积电阻率小于法向,表现出一定程度的各向异性特征。此外,在炭纤维含量相同时,电场诱导作用随炭“”黑添加量的增高呈现两端低中间高的状态,即在导电炭黑添加量为0phr和1.5phr时,电场诱导对复合材料的导电能力基本没有提高。效果最佳的点出现在炭黑添加量为0.5phr处,炭纤维含量为3,6phr和9phr的复合材料在电场线轴向的体积电阻率分别降低了46.8%,29.0,12.5%,在电场线法向的体积电阻率分别降低了28.6,18.8,8.3。2.2电场诱导对导电性能的影响机制在抗静电复合材料中,存在多种导电方式。K.Pechovskaya等_2研究碳系导电复合材料时发现,电压一电流(U-)之间存在以下函数关系一去u(1)式中:f为材料内部通过电流;A,B为只与材料本身有关而与外加电压无关的无量纲常数;U为外加电压,V。—将R一和RP告带入式(1),并将公式两端取对数,得,—lg+lglD一(1一B)lgU(2)nL)式中:A为材料的导电能力,A越大材料的导电能力越强;B可以用来评估材料的导电方式,由于z,A,S均为常数,对lgp一lgU进行线性拟合即可根据斜率求得B值,以评估材料的导电方式。当B>1时,说明材料中存在介电层,导电机制不符合欧姆定律,材料的U-I曲线呈非线性关系,B越大说明导电网络的形成越不稳定。当B逐渐接近1,说明材料的介电效应减弱,材料内部的欧姆导电比率越高,材料的导电网络趋于稳定。而当B一1时,材料导电方式完全符合欧姆定律,导电网络全部形成,材料的U-I曲线呈线性关系。考虑到导电复合材料样品施加电压超过约1V时,热效应影响比较剧烈,为减少其对测试结果的影响,测试电压设定为0.1~1V,每隔o.1V取数据点。图3为电场诱导对UPR/CF/CB复合材料B值的影响。参考图2可知,炭纤维添加量为3,6phr和9phr的3种复合材料的B值均随纳米炭黑的增加,呈明显的下降趋势,且逐渐趋近于1。随炭纤维添加量增高,B值下降趋势变缓,最后都在接近1处达到稳定。CBcontent|phrCBcontent|phrCBcontent|phr图3电场诱导对UPR/CF/CB复合材料B值的影响(a)CF=3phr;(b)CF=6phr;(c)CF=9phrFig.3TheeffectofelectricfieldinducedonBvalueofUPR/CF/CBcomposite(a)CF=3phr;(b)CF=6phr ̄(c)CF一9phr电场诱导对不饱和聚酯树脂/炭纤维/纳米炭黑复合材料性能的影响91E7]E8][9][10][i1][12][13][14][15][16][17]VAIDYAS.Experimentalevaluationofelectricalconductivityofcarbonfiberreinforcedfly-ashbasedgeopolymer[J].SmartStructuresandSystems,2011,7(1):27~4O.杜彦,季铁正,唐婷.聚乙烯基导电复合材料的研究[J].中国塑料,2O12,26(4):2226.——DUYan,JITiezheng,TANGTing.Researchonpolyethylenebasedelectricalconductivecomposites[J].ChinaPlastics,2012,—26(4):2226曹清华,孟庆荣,贾伟灿,等.高比表面积炭黑/聚丙烯导电复合—材料[J].复合材料学报,2012,29(2):5964.———CAOQinghua,MENGQingrong,JIAWeican,eta1.Conducrivecompositesofhighsurfaceareacarbonblack/p01ypr0pylene—[J].ActaMaterieaCompositeaSinica,2012,29(2):5964.戚亚光.世界导电塑料工业化进展口].工程塑料应用,2008,36—(3):7377.——QIYaguang.Progressinindustrializati。nofworldwideconductiveplastics[J].ChinaPlasticsIndustry,2008,36(3):7377.TANGLS,MARIATTIM.Comparisononthepropertiesof—nickelcoatedgraphite(NCG)andgraphiteparticlesasconductivefillersinpolypropylene(PP)composites[J].Polymer-Plastics—TechnologyandEngineering,2009,48(6):614620.周生泰,王伟,冯绍华.低密度聚乙烯基碳黑导电复合材料性能研究[J3.现代塑料加工应用,2012,24(3):2426.——ZHOUShengtai,WANGWei,FENGShaohua.Studyon——propertiesofcarbonfilledLDPEconductivecomposites[J].—ModernPlasticsProcessingandApplications,2012,24(3):2426.金政,闫善涛,李瑞琦,等.石墨/ABS树脂导电复合材料的研—究[J].黑龙江大学自然科学学报,2012,29(1):9598.———JINGZheng,YANShantao,IIRuiqi,eta1.Studyongraphite/ABSresinconductivecomposites[J7.JournalofNaturalScienceofHeilongjiangUniversity,2012,29(1):9598.—LEEYB,LEECH,KIMKM,eta1.PreparationandpropertiesOllthegraphite/po1ypr0py1enecompositebipolarplateswitha304stainlesssteelbycompressionmoldingforPEMfuelcell[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2011,36(13):—76217627.CHUNGS,HWANGJ,LEEJ.Conductivityofsinglewalled—carbonnanotubesdepositedbycompositeelectricfieldguidedassembly(CEGA)method[J].CurrentAppliedPhysics,2006,6—(S1):161165.王海泉,陈国华.电场诱导粒子取向排列的研究进展[J].华侨—大学学报:自然科学版,2008,29(4):490494.——WANGHaiquan,CHENGuohua.Reviewontheorientationandalignmentofparticlesinducedbyelectricfield[J].Journalof—HuaqiaoUniversity(NaturalScience),2008,29(4):490494.——YANDingxiang,DAIKun,XIANGZhidong,eta1.Electrical—conductivityandmajormechanicalandthermalpropertiesofcar—bonnanotubefilledpolyurethanefoams[J].JournalofApplied—PolymerScience,2011,120(5):30143Ol9.[18]PRASSET,CAVAILIEJY,BAUHOFERW.Electricanisotropyofcarbonnanof|bre/epoxyresincompositesduetoelectricfieldinducedalignment[J].CompositesScienceandTechnology,—2003,63:18351841.—r19]TIEW,YANGGH,BHATTACHARYYA,eta1.Electric———fieldinduceddispersionofmultiwalledcarbonnanotubesinne_maticliquidcrystal[J].JournalofPhysicalChemistryc,2011,—115(44):2165221658.[2O]WANGHQ,ZHANGHY,ZHAOWF,eta1.Preparationofpolymer/orientedgraphitenanosheetcompositebyelectricfieldinducement[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(1):238243.—[21]wANGHQ,wANGLT,ZHANGHY.Alignmentofgraphitenanosheetinducedbyelectricfield[J].AdvancedMaterialsResearch,2011,279:15716O.—[22]NATTHAKARNR,suPAKANOKT,PIYASANP.Align—mentofcarbonnanotubesinpolyimideunderelectricandmagⅢneticfieldsJ].JournalofAppliedPolymerScience,2012,123—(6):34703475.—厂23]NORMANDA,RoBERTSoNRE.Theeffectoffiberorientationonthetougheningofshortfiberreinforcedpolymers[J].—JournalofAppliedPolymerScience,2003,90(10):27402751.——[243KIMG.Thermophysicalresponsesofpolymericcompositestailoredbyelectricfield[J].CompositesScienceandTechnology,2005,65(¨一12):17281735.r25]PECHOVSKAYAK,MILMANT,DOGADKINB.Structureandpropertiesofloadedrubbermixtures.IX.modificationof—carbonstructuresbyrepeateddeformations[J].RubberChemis—tryandTechnology,1953,26(4):810820.[26]苏洪钎,祝晓虹,蒋淮渭,等.聚乙烯/导电炭黑复合材料的电—流电压特性[J].化学物理学报,1989,2(2):151159.———SUHongqian,ZHUXiaohong,JIANGHuaiwei,eta1.On—thecurrent。voltagecharacteristicsofpolyethylene-carbonblackconductivecomposites[J].ChineseJournalofChemicalPhysics,—1989,2(2):151159.[273JONESTB.DielectrophoreticforcecalculationEJ].Journalof—Electrostatics,1979,6(1):6982.E28]BOTTCJERCJF.TheoryofElectricPolarization[M].NewYork:Elsevier,1973.基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51131001);国家科技基础条件平台建设项目资助(2005DKA10400)——收稿日期:2O12一O112;修订日期:2012一l124作者简介:赵博(1984一),男,博士研究生,研究方向为纤维增强型高分子材料的性能研究和金属腐蚀与防护,联系地址:北京科技大学新材料—技术研究院(100083),Emall:zhaobol9840626@gmail.corn
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