核壳型碳纤维毡@聚苯胺复合材料的制备及其介电性能

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.06.004

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (6): 25-30.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.06.004

核壳型碳纤维毡@聚苯胺复合材料的制备及其介电性能

刘帅¹(), 赵子豪¹, 俞盈², 杨嘉欣¹, 张扬¹()

^1.北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048
^2.北京师范大学环境学院，北京 100875

收稿日期:2024-03-06 出版日期:2024-06-26 发布日期:2024-06-20
通讯作者: 张扬（1982—），男，教授，博士，研究方向为聚合物基功能复合材料，绿色包装材料，zhangyang@th.btbu.edu.cn
E-mail:ls3430156997@163.com;zhangyang@th.btbu.edu.cn
作者简介:刘帅（1998—），男，硕士研究生，研究方向为电磁功能复合材料，ls3430156997@163.com
基金资助:
北京市自然科学基金面上项目(2242032);北京市科技重点项目（北京市自然基金?市教委联合资助）(KZ202010011019)

Preparation and dielectric properties of core⁃shell structural carbon⁃fiber felt@polyaniline composite

LIU Shuai¹(), ZHAO Zihao¹, YU Ying², YANG Jiaxin¹, ZHANG Yang¹()

^1.School of Light Industry Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China
^2.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Received:2024-03-06 Online:2024-06-26 Published:2024-06-20
Contact: ZHANG Yang E-mail:ls3430156997@163.com;zhangyang@th.btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

使用原位化学氧化聚合的方法，以碳纤维毡（CFF）为骨架，在碳纤维表面生长聚苯胺（PANI），获得具有核壳结构的CFF@PANI复合材料，随后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对其进行封装。研究反应条件对复合材料结构和性能的影响。结果表明，PANI能够均匀地包裹在碳纤维表面，使CFF的颜色由黑色变为深绿色；接触角和表面能分析结果表明尽管表面生长PANI并未对CFF产生显著影响，但使用PDMS封装后可以大幅度降低材料的表面能；借助多界面结构和界面效应，核壳结构明显提升了材料的界面极化和偶极极化，导致复合材料具有更高的介电弛豫现象，并显著提高了电容和电容压敏效应。

关键词: 碳纤维毡, 聚苯胺, 原位氧化聚合, 介电性能

Abstract:

Polyaniline （PANI） was grown on the surface of carbon fiber felt （CFF） through in⁃situ chemical oxidative polymerization to obtain a core⁃shell structural composite. The composite was subsequently encapsulated with polydimethylsiloxane. The influence of reaction condition on the structure and properties of the resultant composite was explored. The results indicated that the PANI particles were uniformly decorated on the surface of carbon fiber， resulting in a color change from black to dark green. Contact angle and surface energy analysis indicated that the surface energy of the composite was greatly reduced after encapsulation， though there was no obvious difference between the CFF@PANI composite and CFF. The presence of the core⁃shell structure enhanced the interfacial and dipole polarization significantly because of the multi⁃interface structure and interfacial effects. A high dielectric relaxation behavior was achieved for the compo⁃site， thus improving its capacitance and voltage⁃sensitive effects significantly.

Key words: carbon fiber felt, polyaniline, in?situ oxidative polymerization, dielectric property

中图分类号:

TQ323

刘帅, 赵子豪, 俞盈, 杨嘉欣, 张扬. 核壳型碳纤维毡@聚苯胺复合材料的制备及其介电性能[J]. 中国塑料, 2024, 38(6): 25-30.

LIU Shuai, ZHAO Zihao, YU Ying, YANG Jiaxin, ZHANG Yang. Preparation and dielectric properties of core⁃shell structural carbon⁃fiber felt@polyaniline composite[J]. China Plastics, 2024, 38(6): 25-30.

图/表 10

图1 （a）原始CFF（b）CFF@PANI复合材料的光学照片

Fig.1 Optical photos of （a） pristine CFF and （b） CFF@Ni composites

图2 （a）原始CFF（b）聚合反应0.5 、1、2 h的CFF@PANI复合材料的红外光谱

Fig.2 （a） Infrared spectra of the pristine CFF （b） CFF@PANI composites polymerized for 0.5 h， 1 h and 2 h， respectively

图3 聚合反应（a）0.5 h、（b）1 h和（c）2 h的PANI均聚物的SEM照片

Fig.3 SEM of PANI homopolymers for polymerization of （a） 0.5 h，（b） 1 h and （b） 2 h

图4 （a）原始CFF（b）CFF@PANI复合材料的SEM照片

Fig.4 SEM of （a） the pristine CFF and （b） CFF@PANI composites

样品类型	接触角	平均接触角/°	表面能/mN•m^-1	色散分量/mN•m^-1	极性分量/mN•m^-1
原始CFF	水接触角	<3	<74.32	<33.11	<41.21
原始CFF	油接触角	<3	<74.32	<33.11	<41.21
CFF@PANI复合材料	水接触角	<3	<74.32	<33.11	<41.21
CFF@PANI复合材料	油接触角	<3	<74.32	<33.11	<41.21
PDMS封装原始CFF材料	水接触角	103.13	7.47	4.70	2.78
PDMS封装原始CFF材料	油接触角	90.67	7.47	4.70	2.78
PDMS封装CFF@PANI复合材料	水接触角	113.45	13.53	9.86	3.68
PDMS封装CFF@PANI复合材料	油接触角	107.20	13.53	9.86	3.68

表1 原始CFF、CFF@PANI复合材料、PDMS封装原始CFF材料以及PDMS封装CFF@PANI复合材料的表面能

Tab.1 Surface energy of the pristine CFF， CFF@PANI composites， PDMS encapsulated pristine CFF， and PDMS encapsulated CFF@PANI composites

图5 PDMS封装原始CFF材料与PDMS封装CFF@PANI复合材料的（a）介电常数实部与（b）介电常数虚部随频率变化曲线

Fig. 5 Frequency variation curves of the real part of （a） permittivity and the virtual part of （b） permittivity of PDMS encapsulated pristine CFF and PDMS encapsulated CFF@PANI composites

图6 PDMS封装原始CFF材料和PDMS封装CFF@PANI复合材料的频率与介质损耗角正切的关系

Fig. 6 Relation between the frequency and the tangent of dielectric loss angle of PDMS encapsulated pristine CFF and PDMS encapsulated CFF@PANI composites

图7 PDMS封装原始CFF材料和PDMS封装CFF@PANI复合材料的Cole⁃Cole曲线插图是PDMS封装原始CFF的放大图

Fig. 7 Cole⁃Cole diagram of PDMS encapsulated CFF and PDMS encapsulated CFF@PANI composites

图8 CFF@PANI复合材料电导率随面密度增长率的变化

Fig. 8 Relationship between conductivity of CFF@PANI composites and the growth rate of surface density

图9 （a）不同反应时间CFF@PANI复合材料在不同载荷下的电容变化；（b）PDMS封装CFF和CFF@PANI复合材料在不同载荷下的电容变化

Fig.9 （a）Capacitance variation of CFF@PANI composites at different reaction times under different loading；（b）Capacitance variation of PDMS encapsulated pristine CFF and PDMS encapsulated CFF@PANI composites under loading

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