氟橡胶/碳纳米管复合材料的制备及性能研究

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随着工业的发展,为顺应更为苛刻的作业环境,诞生了一批性能表现出色的特种合成弹性体。而作为一种能在高温、强腐蚀性等特种环境下作业的高性能弹性体,氟橡胶满足了普通弹性体无法胜任的特殊需求,因此在国防、工业、生活等领域受到了广泛的应用。同时,随着智能工业时代的开启,高精尖科学技术与新型智能材料开始向工业普及,严苛的作业环境对传统聚合物基功能材料发起了挑战,大部分性能优异的聚合物基功能材料无法胜任高温以及强腐蚀性等环境,因此开发一批能在特种环境下高效作业的聚合物基功能材料是目前最为理想的解决方式之一。综上,氟橡胶可作为一种理想的基体材料。然而,碳链上氟原子的屏蔽作用,使得氟橡胶很难与其它填料实现完美复合,这导致目前60%及以上的氟橡胶仅用于各类密封件、绝缘材料的制备。因此解决氟橡胶与功能填料之间的界面相容性问题,对于拓宽氟橡胶在功能材料领域的应用至关重要。本课题首先探究了氟橡胶(FEPM)/碳纳米管(MWCNTs)复合材料在高温、酸碱腐蚀性环境下的应用可能性,为氟橡胶在特种环境下的功能性应用奠定基础;其次基于提升氟橡胶与碳纳米管间的界面相互作用,从填料的表面修饰入手,制备出综合性能优异的氟橡胶/碳纳米管复合功能材料,进一步揭示了其在柔性功能材料领域的应用价值。具体研究内容展开如下:(1)首先,以溶液共混法制备了氟橡胶/酸化碳纳米管(MWCNTs-COOH)复合材料,基于热重分析(TGA)与微商热重分析(DTG)对该复合材料进行了热分解动力学分析。确定了该氟橡胶纳米复合材料的降解机理为一级分解反应,并计算得出了其热分解动力学的两个重要参数:活化能E为194.67 k J/mol,指前因子ln A为29.90,同时在227.8℃下的热使用寿命为两年。在对氟橡胶耐酸碱腐蚀性的研究中发现,通过对比复合材料在HCl溶液、Na OH溶液中浸泡不同天数后样品热稳定性、介电性能以及微观形貌的变化,得出结论:该氟橡胶/碳纳米管复合材料拥有极其优异的耐酸腐蚀性,在酸液中浸泡后样品的介电性能与微观形貌变化不大;而在碱液中浸泡后基体受到了大幅度的腐蚀,样品的介电性能骤增,且频率稳定性下降。(2)接下来,从MWCNTs表面修饰的方式入手来改善氟橡胶与碳纳米管之间的界面相容性。借鉴氨基修饰碳纳米管与环氧树脂间可以以共价键键合的研究,本文对碳纳米管进行了两种类型的氨基修饰改性,一种以乙二胺(EDA)对MWCNTs-COOH进行化学接枝得MWCNTs-EDA;另一种以带双氨基的硅烷偶联剂A-1120直接包覆MWCNTs得MWCNTs-A1120。对比同掺杂比(0.5 wt%)下FEPM、FEPM/MWCNTs、FEPM/MWCNTs-COOH、FEPM/MWCNTs-EDA、FEPM/MWCNTs-A1120复合材料的力学、介电性能以及样品的微观形貌,确定MWCNTs-A1120与氟橡胶的界面相互作用最强,且基本维持了与原始碳纳米管相当的电性能。继续研究FEPM/MWCNTs-A1120复合材料的综合性能。在10 k Hz下,3 wt%掺杂比的复合材料介电常数较纯胶增长了92.07%,在5 wt%掺杂时复合材料就已经导通。同时,复合材料薄膜的电性能还与样品变形量直接联系,拉伸变形量的增加将直接导致样品电性能的下降,在5 wt%掺杂下30%的形变量可以使复合材料从导电材料往介电材料转变。研究结果证明了该氟橡胶纳米复合材料在可拉伸介电材料与柔性导电材料领域的潜在应用价值。(3)最后,为解决FEPM/MWCNTs-A1120复合材料过早达到了渗流阈值,导致介电常数与介电损耗突增的现象,在MWCNTs-A1120基础上采用溶剂热法制备了Fe3O4@MWCNTs杂化材料。通过将氟橡胶与Fe3O4@MWCNTs杂化材料进行复合并研究其复合材料的电以及磁性能发现:即使在7 wt%的掺杂量下,填料依旧在基体中分散均匀,并且在10 k Hz下,复合材料的介电常数相较于纯胶增长了106.8%,且介电损耗依旧维持在0.06这样的较低范围内。同时由于磁性颗粒Fe3O4的引入,复合材料薄膜的磁饱和强度实现了从零到有的转变,7 wt%的掺杂量下,复合材料的磁饱和强度为2.792 emu/g。
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