填充型导电高分子复合材料的Monte Carlo模拟--《北京化工大学》2012年硕士论文
填充型导电高分子复合材料的Monte Carlo模拟
【摘要】：使用Monte Carlo方法模拟填充型导电高分子材料是一种利用MonteCarlo方法不断产生随机构象、并对结果进行平均的特点，模拟填料在空间中随机分散的方法。这种方法可以直接捕捉到填料模型在空间中随机分布状态。与一般的Monte Carlo方法相比，这一方法不对产生的大量随机构象进行重要性抽样，进而简化了计算过程。在模拟中，形状不规则的填料被抽象成形状规则的棒状、球状，通过求取填料间的最短距离来判断填料是否连接，进而判断填料是否可以形成贯穿体系的逾渗网络。本文主要采用Monte Carlo方法，采取可任意重叠的球状和棒状模型，模拟了不同填料体系逾渗值随填料外形、尺寸以及混合物填料配比的变化规律。
主要工作如下：
（1）对于纯组分的棒状填料，研究了体系逾渗值随填料长度、长径比的变化规律，发现棒状填料长径比相同的情况下，尺寸较小的填料具有更小的逾渗值；在填料体积和填料数量的共同作用下，填料用量较小的时候，尺寸较大的填料具有稍大大的逾渗概率，随填料用量的增加尺寸小的填料逾渗概率增长迅速，表明尺寸较小的填料具有更强的构建填料网络的能力。
（2）对于纯组分的球状填料，研究了逾渗值随球状填料尺寸的变化规律，发现球状填料逾渗值随填料粒径的降低而降低。
（3）对于球、棒模型组成的混合物填料体系，研究了体系逾渗值随球状填料粒径、棒状填料长度以及长径比的变化规律。发现填料用量较低时，逾渗值随填料用量的增加出现短暂的降低阶段；使用直观图截面投影的方法说明了这种变化的原因是由于球状填料替换了效率不高的棒状填料所致。逾渗值表现出了随球状填料直径的降低、棒状填料长度的降低和长径比的增加而降低的趋势。
【关键词】：
【学位授予单位】：北京化工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：O631.3【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-13第一章 绪论13-28 1.1 导电高分子材料实验研究13-20
1.1.1 导电机理13-14
1.1.2 橡胶基体的影响14-15
1.1.3 导电填料自身导电性能的影响15-18
1.1.4 填料网络发达程度对导电性的影响18-19
1.1.5 混炼工艺的影响19-20 1.2 Monte Carlo模拟方法20 1.3 逾渗理论及填充型导电高分子复合材料的模拟研究20-26
1.3.1 逾渗理论20-21
1.3.2 导电高分子复合材料的模拟进展21-26
1.3.3 总结26 1.4 课题目的及意义26-28第二章 研究方法28-36 2.1 逾渗值28-29 2.2 填料间最短距离公式29-33 2.3 逾渗概率曲线33 2.4 逾渗填料链的判断33-35 2.5 算法的验证35-36第三章 棒状填料的模拟36-43 3.1 棒状填料的逾渗值36-37 3.2 棒状填料的逾渗概率曲线37-41 3.3 小结41-43第四章 球状填料的模拟43-46 4.1 球状填料的逾渗值43 4.2 球状填料的逾渗概率曲线43-45 4.3 小结45-46第五章 球、棒混合物填料的模拟46-56 5.1 逾渗值随球状填料粒径的变化46-51
5.1.1 逾渗值的变化46-49
5.1.2 逾渗概率曲线的变化49-51 5.2 逾渗值随填料长度的变化51-53
5.2.1 逾渗值的变化51
5.2.2 逾渗概率曲线的变化51-53 5.3 逾渗值随长径比的变化53-55
5.3.1 逾渗值的变化53
5.3.2 体系逾渗概率曲线的变化53-55 5.4 小结55-56结论56-57参考文献57-61致谢61-62研究成果及发表的学术论文62-63作者与导师简介63-64附件64-65
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填充型导电材料的研究与应用顾群韦钢高分子材料的静电及其危害绝大部分的高分子材料的表面电阻均大于1012(，是典型的绝缘体材料。由于成型简单，价格低廉等优点，广泛使用于电子电器、化工建材、日常生活等几乎今天所有等各行各业之中。高分子材料也合其他固体材料一样，在接触、分离。摩擦的过程中会产生很高的静电，如走过化纤地毯时可达35000伏，穿脱衣服时可以达到10000伏，在翻阅塑料书籍时也有7000伏的静电。静电的危害很大，主要表现在静电放电和静电吸引两个方面。在静电放电时会对电子设备造成电磁干扰，导致故障、误动，甚至会击穿精密电子元件，如果静电放电发生在易燃易爆或粉尘油雾的环境中则容易造成爆炸或者火灾等。静电引力的危害主要在于容易造成尘土的吸附污染，或者在加工过程中发生黏结、缠结断头等，影响质量及加工。高分子材料在经过改性以及进一步的发展之后，可以有效地降低其电阻率，改善材料的抗静电性能，扩大并稳定了高分子的应用领域，同时也赋予了它更新的机能和更广泛的用途。聚合物导电材料的制造方法及种类聚合物导电材料主要分为三个类型，即抗静电及IDP型，填充型和ICP型。抗静电及IDP型是通过在聚合物基体中添加抗静电剂来使聚合物导电的，它能够吸收并传导静电电荷，使之消散于大气之中。抗静电剂一般都具有润滑作用，可以减少聚合物材料与其它材料间的摩擦力，增强了抗静电作用。然而该类型的导电聚合物的电阻率在109-1014(之间，使用环境需要40％以上的相对湿度，而且在使用过程中，导电物质会逐渐迁移到材料表面，导致材料的耐久性和手感方面的问题。填充型导电聚合物是在聚合物基体中添加导电物质如金属粉末、纤维，碳材料，金属盐，IDP等，使原来不导电的聚合物也具备导电性能。复合材料电阻和导电粒子的电阻有如下关系：其中(是复合体系的电阻，(0是导电粒子的电阻，(C是临界体积/重量含量，t是普适临界指数。图一导电粒子填充量与电阻的关系及导电机理图如图一所示，随着导电粒子填充量的增加，电阻值均下降，究其原因，导电粒子用量增加后，逐渐在聚合物基体中形成了导电通路。导电粒子的性状不同所制备的复合材料的电性能也不一样，详见表一。导电填料 体积电阻((cm) 优势 缺点
金属盐 10-2 浅色 填充量大，40%以上
炭黑 10-2 高性价比，用途广泛，重量轻，耐腐蚀，导电性可调 颜色深，不适用于洁净场所
石墨 10-4 对体系流变性影响小 颜色深
碳纤维 10-3 强度高， 弯曲模量低
碳纳米管 10-6 增强、导热 价格昂贵
金属粉末 10-6 导电性能好 易氧化、不耐腐蚀、比重大
ICP 10-4 导电性好 加工困难，化学性质不稳定，环保、健康
表一常用导电填料的电性能优缺点ICP（InherentConductivePolymer）型导电聚合物适聚合物本身具有导电能力的聚合物材料，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。三、填充型导电聚合物的分类按照材料的体积电阻或表面电阻填充型导电聚合物可以分为抗静电型（体积电阻&107(cm），静电放电型（体积电阻&107(cm）和电磁波干扰屏蔽型（EMI）（体积电阻&10(cm）。图二导电材料胺表面电阻的分类按照表面电阻，可以分为如图二所示的四类。其中低于10(的属于高导电性，比如金属和电磁波屏蔽材料，高于1012(的属于绝缘体，比如聚合物等，而炭黑填充聚合物导电材料一般介于102～104之间，属于导电性材料。本课题将讨论该领域中导电填料的性状及其在聚合物中的分散以及加工条件的差异对复合材料导电性能的影响规律和它的应用。四、碳系材料填充导电聚合物目前所使用的碳系材料中，最常用的是导电炭黑、石墨和碳纤维，其中导电炭黑应用最广。一是因为导电炭黑价格低廉，二是因为炭黑可以根据制品的不同需求可以有很宽的选择面，而且其电阻值可以在102～109这样很大的范围内自由调整，三是制品的导电性持久稳定。炭黑填充聚合物导电材料在国外已经形成了很大的市场。石墨也是一种常用的填料，但由于它在达到同样的电性能下需要比其它填料更大的填充量，使用受到一些限制。但近年来插层石墨和剥离石墨等工艺方法的日趋成熟与普及，石墨导电填料也逐渐为业界所瞩目。此外，随着纳米技术的方兴未艾，碳纳米管（CNT），尤其是气相生长碳纤维（VGCF）已成为新型导电材料的一个亮点。就VGCF而言，其纤维直径为80～150nm，长度在5～10(m，是具有极高长径比的纤维填料，具有优越的热性能、电性能和机械性能，成为近十年来引人注目的新材料之一[1,2]。作为导电填料，VGCF比炭黑更具优点，如用量更少、性能更稳定、耐加工性更好等。在成本方面，日本昭和电工株式会社已经开始了年产40吨的计划[3]，国内的深圳、清华等也有了多壁碳纳米管的量产，因此VGCF类型的导电填料
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