聚苯胺复合导电纤维的制备与应用基础研究

论文摘要

沥青混凝土被广泛应用于高速公路、机场跑道、桥面铺装和城市主干道。与发达国家相比,我国的沥青路面破损问题依然严重。为了提高沥青路面使用寿命,对沥青路面进行损坏监测和公路交通智能化管理,本文结合辽宁省科技基金项目（20062147）“聚苯胺/聚丙烯导电纤维混凝土复合材料研究”和辽宁省教育厅项目（20040099）“聚苯胺/聚丙烯导电复合纤维研究”,以聚苯胺复合导电纤维为导电相材料,采用沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-16非连续密级配,制备了聚苯胺复合导电纤维沥青混凝土。以聚丙烯纤维为基质,以苯胺单体为原料,采用现场吸附聚合法,制备了聚苯胺/聚丙烯（PANI/PP）复合导电纤维。对比研究了掺杂酸种类及其浓度、氧化剂种类及其浓度、苯胺单体含量、反应时间、反应温度等因素对聚合反应的影响,得出了最佳反应条件。聚苯胺含量达2.5%即可在基质纤维表面形成连续的导电沉积层,使纤维的电导率由原来的10-13S/cm增大到10-1S/cm数量级。利用红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）、热重分析（TG）、拉伸试验等手段对PANI/PP复合导电纤维的结构与性能进行了测试。结果表明:复合纤维是聚丙烯与聚苯胺的共混体系,具有典型的皮芯型结构,皮层为墨绿色的聚苯胺沉积层,形成连续的导电通道,芯层为白色的聚丙烯基质纤维,提供物理机械性能;导电改性后纤维的强度、强力和伸长率均有下降,但热稳定性得到提高;复合纤维的耐酸性比耐碱性好,以对甲苯磺酸做掺杂酸比盐酸掺杂聚苯胺热稳定性好,脱掺杂后的复合纤维,可用其它无机酸或有机酸进行再掺杂;复合导电纤维的电导率随温度升高降低幅度较大,但几乎不受湿度影响;基质纤维细旦化、截面异形化、表面等离子体处理或共混COPET等改性处理均能提高纤维的吸附性,进而提高复合纤维表面聚苯胺含量、电导率和耐久性。经表面等离子体处理的纤维,聚苯胺含量可达到7.9%,电导率为0.17S/cm,耐水洗次数可达到55次以上,导电纤维的电导率在6个月内没有变化。采用马歇尔试验法对掺混复合纤维前后的沥青混合料的力学性能进行了测试,研究表明:聚苯胺复合导电纤维沥青混凝土的力学性能得到了明显改善,在纤维分散均匀时,随着纤维掺量的增加,稳定度、流值、空隙率均有增大趋势;对沥青混合料力学性能的提高程度由高到低依次为混配复合导电纤维、PANI/PP复合纤维、PANI/PET复合纤维、PP纤维和PET纤维;导电纤维沥青混合料试件的稳定度比掺原丝的高,这与导电改性后纤维强度明显降低的变化规律不同。掺混导电纤维的沥青混凝土电性能得到明显改善,研究表明:复合导电纤维沥青混合料电导率提高了5～6个数量级,渗流阈值为0.2%。在复合纤维拌和分散均匀的情况下,相同掺量下,12mm长导电纤维的导电改性效果要好于6mm长导电纤维;将碳黑导电母粒与复合纤维混配掺入时,能显著提高沥青混合料的电导率,增大幅度达1个数量级。纤维沥青混合料的电导率随时间的变化呈现良好的稳定性。压敏性和温敏性试验表明,随着压力增大电导率先快后慢逐渐增大,最后趋于导电纤维的电导率,电导率随温度的升高缓慢上升,呈现正温度系数效应。导电沥青混凝土的导电行为可用导电通道和隧道效应进行分析,引进了考虑填料在基体中形成导电网络链难易程度的网络因子n,结合渗流导电理论,建立了导电沥青混合料的“海岛—网络”模型。综合分析复合导电纤维沥青混凝土中纤维分散性、力学性能和电性能指标,确定导电纤维的最佳掺量是0.2%～0.4%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 导电纤维概述
• 1.2.1 导电纤维的种类和特点
• 1.2.2 导电纤维的制备方法
• 1.2.3 导电纤维的国内外研究概况
• 1.3 聚苯胺的研究进展
• 1.3.1 聚苯胺的合成
• 1.3.2 聚苯胺的结构
• 1.3.3 聚苯胺的基本特性
• 1.4 聚苯胺导电纤维研究进展
• 1.4.1 现场吸附聚合法
• 1.4.2 湿法纺丝与干湿法纺丝
• 1.4.3 熔法纺丝
• 1.4.4 后处理法
• 1.4.5 纳米纤维制备法
• 1.5 导电纤维沥青混凝土研究
• 1.5.1 沥青混凝土应用现状
• 1.5.2 纤维沥青混凝土研究概况
• 1.5.3 纤维提高沥青混合料性能的机理
• 1.5.4 导电沥青混凝土研究
• 1.6 研究内容和技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 技术路线
• 2 聚苯胺/聚丙烯复合导电纤维的制备
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验药品、仪器
• 2.1.2 纤维原料准备及预处理
• 2.1.3 聚苯胺/聚丙烯复合导电纤维制备
• 2.1.4 聚苯胺含量的计算
• 2.1.5 复合导电纤维电导率的测定
• 2.1.6 复合导电纤维形态观测
• 2.1.7 复合导电纤维沉积层聚苯胺分子量的估测
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 掺杂剂对复合导电纤维性能的影响
• 2.2.2 氧化剂对复合导电纤维性能的影响
• 2.2.3 苯胺单体含量对复合导电纤维性能的影响
• 2.2.4 反应时间对复合导电纤维性能的影响
• 2.2.5 反应温度对复合导电纤维性能的影响
• 2.2.6 极差分析法确定影响因素的主次关系
• 2.2.7 复合纤维中聚苯胺的分子量估测
• 2.2.8 纤维改性处理对复合纤维性能的影响
• 2.3 本章小结
• 3 聚苯胺/聚丙烯复合导电纤维的结构与性能
• 3.1 实验及测试
• 3.1.1 实验药品和原料
• 3.1.2 复合导电纤维的制备
• 3.1.3 复合导电纤维电导率的测定
• 3.1.4 复合导电纤维的再掺杂实验
• 3.1.5 红外光谱分析
• 3.1.6 复合导电纤维形态观测
• 3.1.7 复合导电纤维拉伸试验
• 3.1.8 复合导电纤维声速取向度的测定
• 3.1.9 复合导电纤维热重分析
• 3.1.10 复合导电纤维电性能的温、湿度依赖性测试
• 3.1.11 复合导电纤维耐久性测试
• 3.1.12 复合导电纤维的吸附性测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 复合导电纤维的再掺杂
• 3.2.2 红外光谱分析
• 3.2.3 复合导电纤维的形态
• 3.2.4 复合导电纤维的力学性能
• 3.2.5 复合导电纤维声速取向度
• 3.2.6 复合导电纤维热重分析
• 3.2.7 复合导电纤维电导率的温、湿度依赖性
• 3.2.8 复合导电纤维耐久性
• 3.2.9 复合导电纤维的吸附性
• 3.3 本章小结
• 4 聚苯胺复合导电纤维沥青混合料的制备
• 4.1 实验药品、原料、仪器设备
• 4.1.1 实验药品、原料
• 4.1.2 试验仪器与设备
• 4.2 复合导电纤维的制备
• 4.3 沥青混合料级配的确定与检验方法
• 4.3.1 原料各项指标的测定
• 4.3.2 纤维沥青混合料级配确定的方法
• 4.3.3 级配检验方法
• 4.4 沥青混合料级配的确定
• 4.4.1 级配曲线
• 4.4.2 贝雷法检验初试级配结果
• 4.4.3 理论计算与马歇尔试验结果
• 4.5 导电纤维沥青混合料的制备
• 4.6 导电纤维沥青混合料最佳沥青用量的确定
• 4.7 纤维沥青混合料拌和方式的确定
• 4.8 本章小结
• 5 聚苯胺复合导电纤维沥青混凝土的结构与性能
• 5.1 导电纤维沥青混凝土性能测试
• 5.1.1 导电纤维沥青混凝土电性能测试
• 5.1.2 导电纤维沥青混凝土的马歇尔试验
• 5.1.3 导电纤维沥青混凝土纤维分布形态测试
• 5.2 导电纤维沥青混凝土的电性能
• 5.2.1 导电纤维沥青混凝土电性能随压力的变化
• 5.2.2 导电沥青混凝土电性能随温度的变化
• 5.2.3 导电沥青混凝土电性能随时间的变化
• 5.2.4 纤维掺量对导电沥青混凝土的电性能的影响
• 5.2.5 纤维品种对导电沥青混凝土的电性能的影响
• 5.2.6 纤维长短对导电沥青混凝土的电性能的影响
• 5.2.7 掺混导电碳黑母粒对沥青混凝土电性能的影响
• 5.3 纤维沥青混凝土的力学性能
• 5.3.1 PANI/PP复合导电纤维对沥青混凝土力学性能的影响
• 5.3.2 PANI/PET复合导电纤维对沥青混凝土力学性能的影响
• 5.3.3 PANI/PET导电纤维与PET纤维沥青混凝土力学性能对比
• 5.3.4 PANI/PP导电纤维和PANI/PET导电纤维沥青混凝土力学性能对比
• 5.3.5 混掺导电纤维对沥青混凝土力学性能的影响
• 5.4 沥青混凝土内纤维分散性
• 5.5 本章小结
• 6 导电纤维沥青混凝土的导电机制
• 6.1 聚苯胺复合导电纤维的导电机制
• 6.1.1 聚苯胺导电机理
• 6.1.2 聚苯胺导电高分子导电特点
• 6.1.3 聚苯胺复合导电纤维导电模型的建立
• 6.2 聚苯胺复合导电纤维沥青混凝土的导电机理
• 6.2.1 导电复合材料的导电模型研究概况
• 6.2.2 导电复合材料的导电机制
• 6.2.3 聚苯胺复合导电纤维沥青混凝土导电模型的建立
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 研究工作总结及结论
• 7.2 研究工作展望
• 7.3 经济成本分析
• 参考文献
• 附录A 部分简称及代号
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢