空間限域強制組裝法制備高性能聚合物基導電復合材料機理的研究.pdf

1、聚合物基導電復合材料是最重要的聚合物功能復合材料之一，在能量存儲，電池電極，3D打印材料，電磁屏蔽，柔性顯示器，智能傳感器等方面有廣泛的應(yīng)用需求。理論與實踐表明，在聚合物基體中形成連續(xù)緊密的導電填料網(wǎng)絡(luò)是制備超高電導率聚合物基復合材料的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法普遍通過增加導電填料的體積分數(shù)至電導率突升的逾滲閾值以上。由于聚合物基體本身電導率很低，通過在絕緣的聚合物基體中加入大長徑比或大比表面積的導電填料，如炭黑粒子、碳纖維、片狀石墨、碳納米管和石

2、墨烯，并采用合適的加工混合方法在聚合物基體中構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)是當下研究聚合物基導電復合材料的焦點。
　　目前，主要有三種構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)的方法:導電填料自組裝法、雙連續(xù)相法和相分離法。雖然達到逾滲閾值后繼續(xù)增加填料的體積分數(shù)，還可以進一步提高復合材料的電導率，但電導率的增加非常緩慢，卻造成了材料加工性能和力學性能的大幅下降。電導率無法進一步大幅度提升的主要原因，在于導電填料間的平均間距對復合材料電導率的影響遠大于填料體積分數(shù)的影響。

3、>　　為了進一步大幅度提升復合材料的導電性能，本文提出了一種旨在有效減小導電粒子平均間距的導電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法:空間限域強制組裝法（SCFNA），其核心就是通過機械手段，對共混體系進行空間限域擠壓和界面微納米機械組裝，從而對功能分散相施加遠大于自組裝作用力的“強制組裝力”，強制“擠走”導電粒子間的聚合物，實現(xiàn)了導電網(wǎng)絡(luò)的密實化，為大幅度提高導電性能提供了可能性。本文主要研究內(nèi)容包括:
　　1，采用該方法分別選取了熱固性聚二甲基硅氧烷(

4、PDMS)和熱塑性聚丙烯(PP)兩種聚合物基體，選用短切碳纖維(SCF)為導電填料，制備并獲得了導電性能比傳統(tǒng)共混法電導率高出數(shù)倍甚至數(shù)量級提高的導電復合材料PDMS/SCF和PP/SCF。導電滲流閾值僅為0.45wt％和3.5wt％。研究了加工參數(shù)、填料濃度、壓縮厚度、微結(jié)構(gòu)陣列對復合材料導電性能的影響。發(fā)現(xiàn)壓縮厚度是除填料濃度外影響復合材料電導率的一個重要因素，尤其在高填料濃度下。驗證了空間限域強制組裝法制備高性能導電復合材料的可行

5、性和性能提升潛力。
　　2，采用空間限域強制組裝法制備了三元導電復合材料，對比石墨烯、超導炭黑粒子，發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管與短切碳纖維協(xié)同組合復合材料導電性能最優(yōu)。同時三種組份的加工混合順序明顯影響復合材料的導電性能和機械性能，改變?nèi)M份PDMS、（導電炭黑）CCB、SCF混合加工順序，PDMS/SCF/CCB復合材料的導電性能和力學性能發(fā)生變化。采用PDMS與CCB先密煉共混后再加入SCF共混的加工順序制備的復合材料導電性能最優(yōu)，而采