PMMA基納米復(fù)合材料及其微發(fā)泡材料的制備與結(jié)構(gòu)控制.pdf

1、聚合物基微發(fā)泡納米復(fù)合材料兼具了聚合物基納米復(fù)合材料和微發(fā)泡材料的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究。以導(dǎo)電納米相作為增強(qiáng)劑的聚合物基微發(fā)泡納米復(fù)合材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)和靜電、電磁屏蔽的多功能性，在電子工業(yè)和航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。聚合物基微發(fā)泡納米復(fù)合材料的制備技術(shù)，包括聚合物基納米復(fù)合材料的制備技術(shù)和超臨界流體發(fā)泡技術(shù)。本文以PMMA作為聚合物基體，以Ag納米粒子和CNTs-Ag納米粒子作為增強(qiáng)劑，制備PMMA基納米復(fù)合材料，再結(jié)合超臨界流體發(fā)

2、泡技術(shù)制備PMMA基微發(fā)泡納米復(fù)合材料，重點(diǎn)研究其制備工藝、顯微結(jié)構(gòu)以及發(fā)泡前后的力學(xué)和電學(xué)性能。
　　 首先，采用原位還原技術(shù)和反溶劑沉淀技術(shù)，制備Ag/PMMA納米復(fù)合材料，研究制備工藝對其顯微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能影響，分析Ag納米粒子長大和異形化機(jī)理。結(jié)果表明當(dāng)有少量PVP作為穩(wěn)定劑時，可以成功制備出具有單分散性的Ag/PMMA納米復(fù)合材料，通過控制反應(yīng)時間，可以對Ag納米粒子的粒徑和形貌精確調(diào)控。分析表明在高溫缺少Ag源條件下

3、，Ag納米粒子的生長主要受Ostwald熟化控制，異形化主要是由于PVP對Ag(100)晶面優(yōu)先吸附的結(jié)果。Ag/PMMA納米復(fù)合材料的電學(xué)性能沒有得到明顯的改善，歸因于Ag納米粒子的含量低，彌散分布難以形成電子傳輸?shù)耐贰?br>　　 其次，采用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制備Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料，研究發(fā)泡工藝參數(shù)以及Ag納米粒子粒徑、形貌對泡孔結(jié)構(gòu)的影響，分析異相成核機(jī)理，并研究Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表

4、明，與PMMA微發(fā)泡材料相比，Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料的泡孔密度提高了1～2個數(shù)量級。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對泡孔結(jié)構(gòu)的控制，制備出平均泡孔直徑為4～30μm、泡孔密度為5×107～1010cell/cm3可調(diào)的微發(fā)泡納米復(fù)合材料。低溫、高壓和較短的發(fā)泡時間有利于減小泡孔直徑，發(fā)泡溫度對泡孔結(jié)構(gòu)的影響最為顯著。計(jì)算表明當(dāng)Ag納米粒子粒徑在1～2nm時，都可以起到顯著的異相成核作用，這與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。Ag納米粒子的粒

5、徑越小，理論成核密度越高，泡孔密度越高；Ag納米粒子的異形化，可以提高其成核效率，但粒徑的長大導(dǎo)致其泡孔密度降低。在相同體積密度條件下，Ag/PMMA微發(fā)泡材料比PMMA微發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度提高約84％，彈性模量提高約65％。泡沫力學(xué)本構(gòu)模擬的分析表明，微發(fā)泡納米復(fù)合材料的相對密度高于0.2時，力學(xué)性能略高于閉孔本構(gòu)模型的預(yù)測值。這是由于Ag納米粒子的存在，一方面增強(qiáng)了PMMA基體，另一方面在發(fā)泡過程中的異相成核作用減小了泡孔直徑，提高

6、了力學(xué)性能，其中后者起主要貢獻(xiàn)。
　　 再次，采用超聲-溶液共混法將CNTs分散到原位合成的Ag/PMMA溶膠中制備出CNTs-Ag/PMMA納米復(fù)合材料，研究制備工藝、CNTs含量對顯微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過反溶劑沉淀技術(shù)可以將氨基改性的CNTs均勻分散在Ag/PMMA納米復(fù)合材料基體中，CNTs含量越高，其均勻分散越難；CNTs含量超過2wt.％時，6h的超聲條件無法實(shí)現(xiàn)CNTs在Ag/PMMA納米復(fù)合材料基體

7、中的均勻分散。TEM分析結(jié)果表明，Ag納米粒子傾向于沉積到CNTs表面，并與多根CNTs發(fā)生結(jié)合，隨著CNTs含量增加導(dǎo)致其分散性變差。電學(xué)性能研究表明，與CNTs/PMMA納米復(fù)合材料相比，CNTs-Ag/PMMA納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了1～3個數(shù)量級，主要?dú)w因于其導(dǎo)電行為可以由隧道效應(yīng)理論解釋，Ag納米粒子承擔(dān)起電子遷移的載體而參與導(dǎo)電。
　　 最后，采用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制備CNTs-Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料，研

8、究發(fā)泡溫度以及CNTs含量對泡孔結(jié)構(gòu)的影響，探索力學(xué)和電學(xué)性能與泡孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明，與Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料相比，CNTs-Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料的泡孔密度進(jìn)一步提高2～4倍。當(dāng)CNTs含量超過0.5wt.％后，繼續(xù)增加CNTs的含量對CNTs-Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料的泡孔結(jié)構(gòu)的影響較小；通過控制發(fā)泡溫度可以將CNTs-Ag/PMMA微發(fā)泡納米復(fù)合材料的泡孔直徑控制在3～20μm，泡孔密度控制在2×1