流变-导电同步测试法研究炭黑填充高密度聚乙烯的等温结晶行为

采用流变-导电同步测试法,研究炭黑(CB)填充高密度聚乙烯(HDPE)在124.3～125.3℃范围的等温结晶行为,发现应变、频率与预降温速率均显著影响等温结晶过程中动态流变与导电行为.动态储能模量(G')与电阻均在结晶过程中发生显著变化.其中,CB粒子在熔体中发生扩散,造成原有逾渗网络结构破坏,导致复合体系电阻在结晶诱导期内增大.随结晶度增加,G'在结晶诱导期附近开始显著增大,其临界时间对应1%～2%相对结晶度;同时,CB粒子在无定形区相互聚集而形成渗流网络结构,使得复合体系电阻显著降低.电阻的变化被认为与CB粒子在熔体中的迁移以及在HDPE晶体生长过程中的聚集行为有关,且比依时性动态流变行为更敏感.     

纤维状填料/HDPE复合体系的导电渗流与流变渗流行为的关系

研究了纤维状导电材料不锈钢纤维(SSF)填充高密度聚乙烯(HDPE)导电复合体系的导电渗流与流变渗流行为之间的关系,并与颗粒状导电颗粒炭黑(CB)/HDPE导电复合体系进行了比较.发现当SSF含量极低(0.3vol%)时,SSF/HDPE体系即发生导电渗流现象,且导电渗流转变区域极窄;而仅当SSF含量达到4.8vol%时,该复合体系才表现出流变渗流现象,这一结果与CB/HDPE体系及纳米级导电纤维填充体系截然不同.此外,通过正温度系数效应的研究发现SSF形成的导电通路稳定性高于CB/HDPE体系.我们认为,SSF/HDPE体系呈现的这些特点均与SSF较大的直径及长径比且其导电通路及流变渗流网络的形成机理不同有关.     

电响应聚合物薄膜的表面图案化

研究了炭黑(CB)和石墨(GP)填充高密度聚乙烯(HDPE)复合体系的动态流变行为.发现高填料含量时出现似固体行为,并认为它归因于无机粒子网络逾渗结构的形成.在相同聚合物基体条件下,粒子种类和粒子几何参数(粒子形状、大小、粒径分布)对低频区域流变行为、流变参数的逾渗行为和逾渗阈值(φc)有决定性影响,且种类的影响相比于粒子几何参数更为显著.此外,高表面活性及高比表面积(大径厚比、小尺寸)粒子填充体系具有较低的φc.     

粒子填充HDPE复合体系动态流变行为研究

研究了炭黑(CB)和石墨(GP)填充高密度聚乙烯(HDPE)复合体系的动态流变行为.发现高填料含量时出现似固体行为,并认为它归因于无机粒子网络逾渗结构的形成.在相同聚合物基体条件下,粒子种类和粒子几何参数(粒子形状、大小、粒径分布)对低频区域流变行为、流变参数的逾渗行为和逾渗阈值(φ_c)有决定性影响,且种类的影响相比于粒子几何参数更为显著.此外,高表面活性及高比表面积(大径厚比、小尺寸)粒子填充体系具有较低的φ_c.     

玻璃纤维对聚甲醛基导电复合材料性能的影响

采用在转矩流变仪中熔融混合的方法制备了聚甲醛(POM)/多壁碳纳米管(MWCNTs)/玻璃纤维(GF)和POM/炭黑(CB)/GF复合材料,研究了GF的加入对复合材料的导电性能、结晶行为和动态力学性能的影响.采用场发射扫描电镜(FESEM)观察了复合材料中导电填料的分散状态,发现GF的加入对MWCNTs和CB的分散状态没有明显影响.虽然GF为导电惰性填料,但因其加入起到了占位作用,明显提高了导电填料的有效浓度,从而使复合材料的体积电阻率明显降低.采用示差扫描量热仪(DSC)研究了复合材料中POM的结晶行为,发现GF的加入对POM的结晶温度、熔点和结晶度均无明显影响.采用动态机械分析仪(DMA)对复合材料的动态力学性能进行了研究,表明GF的加入能够明显地提高复合材料的储能模量.     

iPP/HDPE/CB三元导电复合材料的导电与流变行为

利用界面能原理使CB选择性分布于HDPE中成为复合导电相,固定CB在HDPE中的质量分数(20 wt％),控制CB/HDPE导电相在iPP中的含量,制备出一系列三元(iPP/HDPE/CB)导电复合材料,并研究其导电逾渗和流变逾渗行为.结果表明,在复合导电相含量为20 wt％时复合材料内即形成导电网络,在复合导电相含量30 wt％时出现流变网络.只有当复合导电相在材料中形成连续相时(60 wt％),损耗因子在频率扫描中才出现峰值.     

低剪切混合方法制备炭黑/聚丙烯纳米复合材料及其电性能研究

采用一种在低剪切应力场下纳米复合材料的加工方法,制备得到纳米炭黑(CB)粒子在聚丙烯(PP)中以纳米尺度分散的聚合物导电复合材料.扫描电镜观察表明CB粒子在纳米复合材料中以纳米尺度存在,并均匀的分布在PP基体中.电性能测试发现,通过这种低剪切混合方法得到的纳米复合材料具有非常低的导电逾渗阈值(vc=2.49vol%)和较高的临界电阻指数(t=5.82),很大的偏离了普适逾渗理论.基于隧道逾渗模型对体系的电导率进行了模拟,并对CB的分散状态与导电网络的关系进行了分析.发现当纳米CB粒子以纳米尺度分散于基体中时,并不遵从接触导电机理,而是隧道逾渗机理在CB/PP纳米复合材料中起主导作用.     

气相白炭黑/低分子量聚乙二醇悬浮体系的分子弛豫与流变行为

采用亲水气相二氧化硅(FS)、非缠结聚乙二醇(PEG,重均分子量400)制备悬浮体系,考察FS体积分数(φ)对PEG本体相α-松弛、结晶行为及悬浮体系流变行为的影响.结果表明,FS可延缓PEG本体相α-松弛,提高玻璃化转变温度,并显著增加浮体系黏度,降低本体PEG相结晶与熔融焓.低填充时,FS起成核作用;高填充时,FS延迟PEG分子扩散,并降低结晶温度.FS对PEG结晶的不同作用发生在悬浮体系溶胶-凝胶转变附近,此时悬浮液非线性动态流变行为呈现显著的硬化软化特性,线性动态流变行为呈现最为显著的频率依赖性.通过建立线性动态流变行为叠加曲线,揭示了FS对PEG分子链扩散行为的显著推迟作用.     

炭黑填充聚苯乙烯熔体流变行为

研究了炭黑(CB)填充聚苯乙烯(PS)熔体的稳态和动态流变行为. CB/PS复合体系在CB体积分数φ=0.06时发生逾渗转变. 结果表明, 低应变区熔体模量降低主要归因于粒子-粒子及粒子-高分子间作用力的破坏, 高应变下模量的急剧下降则主要与高分子链间解缠结有关. 采用“两相”模型拟合线性动态流变行为, 发现应变放大因子A_f(φ)、填充相模量及松弛指数与温度有关. A_f(φ)~φ关系符合Guth方程和扩散控制的粒子簇聚集模型. “粒子相”形状参数与聚集体分维度均随温度升高而有所降低, 说明CB粒子聚集体因团聚而趋于各向同性, 应变放大效应减弱. “粒子相”特征模量G'_f1(φ)和G"_f0(φ)与φ关系满足标度律. 当φ > 0.06时, G'_f1(φ)和G"_f0(φ)及其标度指数均随温度升高而明显降低, 其G'_f1(φ)变化幅度略大于G"_f0(φ), 说明“粒子相”弹性与黏性组分具有不同的温度依赖性. 随着温度升高, 扩散控制的CB粒子团聚过程加快, 应变放大效应减弱.     

MWCNTs与疏水纳米SiO_2填充PMMA/PS共混物的导电与动态流变行为

以多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电填料、疏水纳米二氧化硅(SiO2)为非导电填料,填充不相容聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚苯乙烯(PS)(1/1,V/V)共混物,制备(PMMA/SiO2)/(PS/MWCNTs)四元导电高分子复合材料(CPC),研究其导电逾渗与动态流变行为,并与PMMA/(PS/MWCNTs)三元CPC进行对比.发现三元、四元CPC具有类似的导电逾渗行为,且逾渗阈值显著低于PS/MWCNTs二元CPC.在四元CPC中,SiO2粒子可细化相区尺寸,提高熔体模量,但不影响熔体热处理过程中的依时性动态导电逾渗行为.MWCNTs与SiO2均显著影响熔体热处理中的依时性模量逾渗行为,分别缩短、延长四元CPC相粗化起始时间,但均延长相粗化时间区间.     

多壁碳纳米管填充聚苯乙烯熔体的恒温依时性动态模量逾渗行为

在恒温(170～190℃)热处理过程中,多壁碳纳米管(MWCNTs)填充聚苯乙烯(PS)熔体发生动态模量逾渗(DMP)行为,且该行为服从时-温叠加(TTS)原理.MWCNTs体积分数(φ)低于逾渗阈值(φc)时,填充熔体在恒温热处理过程中保持类液行为,热处理对MWCNTs分散状态无显著影响,动态储能模量(G')与动态损耗模量(G″)活化能(EG'与EG″)分别高于、低于PS黏流活化能(Eω),而与PS熔体恒频动态模量活化能相一致;φ>φc时,热处理促成MWCNTs进一步团聚,填充熔体在热处理过程中发生类液-类固转变,EG'与EG″均低于Eω,而动态逾渗时间活化能(Et'与Et″)显著高于Eω且随φ增高而增大.在逾渗转变区,EG'与EG″发生不连续变化.PS/MWCNTs复合体系的恒温依时DMP行为与MWCNTs聚集所导致的三维弹性网络的形成密切相关,PS大分子终端松弛不是决定DMP的关键因素.     

HDPE/CB高分子导电复合体系的单轴形变与压阻行为

根据基体形变及其与渗流网络结构之间的关系,研究了高密度聚乙烯(HDPE)/炭黑(CB)复合材料压阻行为的发生机制及其影响稳定性的力学因素.结果表明,单轴压阻行为的产生源于材料受外力变形而导致的渗流网络微结构变化,且这种变化强烈依赖于填料含量.当填料含量较低时(渗流阈值附近),体系电阻率随压力升高而表现为电阻正压力系数行为;当填料含量较高时,体系电阻率随压力升高显现电阻负压力系数效应.完全卸载的零压力下,电阻基线随压缩循环随循环次数增大而发生漂移,这种漂移与轴向残余压缩应变有关,可以通过增加循环次数来加以稳定.交联可以减小残余压缩应变,并抑制高填充复合体系电阻基线的漂移.     

利用小角/广角X射线散射联用及一维相关函数分析研究聚(ε-己内酯)片晶的形态

用小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)联用的实验方法考察了等温结晶温度(Tc)和等温时间对聚(ε-己内酯)(PCL)片晶形态的影响.根据WAXS数据计算了PCL的重量结晶度,进而求得其体积结晶度Vc(WAXS).在不同Tc下结晶的PCL样品的Vc(WAXS)均略高于50%.对SAXS谱线做一维相关函数(1DCF)分析,得到了PCL的片晶长周期(LP)和无定形层厚度(La).通过比较WAXS及SAXS的数据分析结果,认为PCL晶体需用"三相模型"予以描述,其过渡层厚度(E)约为LP的15%～18%,对片晶形态具有重要影响.随着Tc升高,PCL晶体的Lc、La及E均逐渐增大,但Lc的变化率最大,这使得结晶度上升.在50℃等温结晶不同时间,发现Lc随延长时间显著增加,而La及E则不断减小.等温10天后,PCL晶体的SAXS谱线上可观察到5级散射,表明片晶相当完善.     

超细颗粒填充高密度聚乙烯复合体的导电和流变学性质(英文)

制备了多壁碳纳米管、石墨和碳黑填充高密度聚乙烯(HDPE)复合体,研究了复合体的导电和流变学性质.利用隧道逾渗模型对关键指数分别为4.4、6.4和2.9的三种复合体的"非普适性"导电行为进行了解释.与此同时,考察了颗粒类型和含量,以及剪切速率对复合体流变学性质的影响.结果表明,复合体系的储能模量在低频区出现"第二平台",而复合黏度则表现出强烈的剪切变稀行为,标志着颗粒在聚合物内部发生聚集形成了网络结构.与石墨和碳黑填充复合体相比,具有更高纵横比的多壁碳纳米管填充复合体具有更高的储能模量和复合黏度.基于Guth-Smallwood理论结合有效介近似的G′r分析结果表明,填充HDPE复合体系的流变学逾渗阈值和导电逾渗阈值吻合良好.     

Rheology of isothermally crystallized poly(butylene terephthalate) nanocomposites with clay loadings under the percolation threshold

This article describes the structural evolution of clay in poly(butylene terephthalate) nanocomposites (PCNs) with clay loadings lower than the percolation threshold during the isothermal crystallization process. The study of the structure and rheological properties has revealed that the intercalation and detachment levels of clay are enhanced in samples crystallized at a high temperature (210 °C), in contrast to those of the original PCN, and this results in the formation of a rheological percolation network. However, for PCNs crystallized at a low temperature (190 °C), the further structural evolution of the tactoids is very small. All the experimental results indicate that the morphologies of clay can further evolve during the crystallization process, but the evolution level is strongly dependent on the crystallization temperature. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 45: 229–238, 2007     

HDPE等温结晶中液-固转变的流变特性

摘要研究了高密度聚乙烯(HDPE)等温结晶过程中液-固转变的流变行为. 发现在等温结晶过程中, 旋转流变仪的平行板上会产生法向拉应力; 在结晶初期, 此应力会快速松弛; 一定时间后, 呈现出积聚并迅速增加的现象. 针对此现象提出了一种新的静态测试方法, 即利用由结晶导致的体积收缩测量法向拉力. 对动态测试和静态测试方法下的流变行为进行比较发现, 动态测试适用于结晶速率较慢的体系, 而静态测试则适用于结晶速率较快的体系. 相对于前者而言, 后者具有不干扰被测试样结晶行为的优点.     

Properties of a carbon filled cyclic olefin copolymer

This article investigates electrical conductivity and rheological aspects of cyclic olefin copolymer (COC) composites containing both carbon fiber (CF) and carbon black (CB) at various concentrations. The different formulations of carbon filled COC were compression molded in such a manner that the formed circular sheets exhibited preferred in‐plane filler orientation. Through‐plane and in‐plane conductivity were measured by 2‐probe and 4‐probe methods, respectively, while an ARES rheometer in dynamic mode was employed to measure the storage modulus and complex viscosity. It was found that formulations with CF:CB ratios around 3 and where the CB content was close or below its critical percolation concentration resulted in higher electrical conductivity while maintaining the viscosity of the composite at a level acceptable for polymer processing machinery. For those composites containing both fillers, collaborative associations between the CB and CF fillers were found in the established percolating network structure, producing measured conductivities which exceeded the estimated values by the additive rule by up to sixfold. An empirical expression to handle hybrid filler systems is proposed in this work based on the standard percolation model. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 45: 1808–1820, 2007     

Ethylene–acrylic acid copolymer induced electrical conductivity improvements and dynamic rheological behavior changes of polypropylene/carbon black composites

The experimental data reveal that the addition of ethylene–acrylic acid copolymer (EAA) into carbon black (CB)/polypropylene (PP) composites can improve the electrical conductivity of CB/PP composites by two to six orders of magnitude at a comparatively low CB content (φ), and when φ = 2.5 vol %, 60/40 of PP/EAA is an optimum for electrical conductivity improvement. The dynamic rheological data show that with increasing φ there are apparent rheological percolations for CB/PP composites. A modified Kerner–Nielson equation can be used to describe the correlation between electrical percolation and dynamic viscoelastic percolation. The addition of EAA into CB/PP composites leads to apparent changes in dynamic rheological behaviors. When φ = 2.5 vol %, a rheological percolation appears in CB/PP/EAA (CPE) composites with increasing EAA content. The similar rheological behaviors correspond to the similar morphological structures for CPE composites with φ = 5.0 vol %. The appearance of bumps in the van‐Gurp–Palmen plots corresponds to the formation of network structure in CB/PP and CPE composites, and the more perfect the networks, the higher the amplitude of the bumps. All data indicate that the van‐Gurp–Palmen plot is sensitive to the formation of filler particle networks or cocontinuous phase which spans the whole composite. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 47: 1762–1771, 2009