微孔发泡聚合物/石墨烯导电纳米复合材料研究

研制和开发同时具有优秀抗静电/电磁屏蔽性能和足够高力学强度的轻质聚合物发泡复合材料是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技难题。本项目充分利用石墨烯大径厚比和高电导率特性，赋予绝缘聚合物以优秀的抗静电和电磁屏蔽性能；利用石墨烯异相成核作用和超临界二氧化碳发泡方法易于调控材料结构的优势，在聚合物/石墨烯纳米复合材料中构筑均匀的微孔结构，辅以石墨烯的纳米增强效应，实现材料轻质化和优秀力学性能的统一。更有意义的是，微泡孔还具有体积排出的作用，可将石墨烯在导电发泡纳米复合材料中的含量降到最低。从而将石墨烯的结构功能特性和微泡孔的质轻优势有机结合起来，最终探索出一条制备兼具优秀导电、电磁屏蔽、综合力学性能的聚合物基微孔发泡复合材料的新途径。本项目的实施和完成必将为轻质抗静电和电磁屏蔽聚合物纳米复合发泡材料的结构设计、性能机理研究及潜在的应用提供巨大的推动作用。

本项目针对轻质抗静电/电磁屏蔽多功能聚合物发泡材料研究过程中迫切需要解决的纳米分散和微孔结构调控关键科学难题，开展了如下几项工作：（1）石墨烯C/O原子比对聚合物复合材料性能影响：采用氧化石墨高温热膨胀法和我们独自开发的真空辅助低温热膨胀法制备了C/O不同的石墨烯，研究了石墨烯表面化学组成对对复合材料微观结构和流变、导电和电磁屏蔽性能的影响，建立起石墨烯的表面化学与聚合物纳米复合材料结构性能制件的关系；（2）石墨烯功能化对聚碳酸酯纳米复合结构性能影响：为提高石墨烯和聚合物基体的相容性，我们发现了一种利用对苯二胺同时功能化改性和还原氧化石墨烯的新方法，化学改性石墨烯分散性好，能优化泡孔结构，使泡孔尺寸减小、泡孔密度增大。揭示发泡材料微观结构与导电性能之间的关系，并证实了石墨烯的纳米增强作用和微泡孔对脆性聚合物纳米复合材料的有效增韧作用；（3）磁性纳米粒子对聚合物/石墨烯复合材料EMI屏蔽性能的影响：为优化聚合物/石墨烯复合体系的阻抗匹配，进一步提高复合材料的电磁屏蔽性能，我们引入磁性纳米粒子与石墨烯杂化，制备兼具良好导电性和磁性能的聚合物电磁屏蔽复合材料；最高电磁屏蔽性能在11.95 GHz达到了36 dB，并分析了电磁屏蔽机理；（4）微泡孔增韧聚碳酸酯/碳纳米管导电纳米复合材料:为研究微泡孔增韧纳米复合材料的普适性，我们以碳纳米管（CNT）作为导电填料，制备出具有良好导电和韧性的聚碳酸酯纳米复合材料微孔泡沫。CNT的加入优化了泡孔结构，提高了材料电导率和电磁屏蔽效能。微泡孔可有效提高纳米复合材料缺口冲击韧性；且泡孔越小，泡孔密度越大，增韧效果越好；（5）选择性发泡PC/PS/CNT导电纳米复合材料结构与性能研究：为解决高填料含量复合材料难以发泡的困境，通过基体选择及材料组分调控，实现了导电填料的选择性分散和微泡孔的选择性分布，而发泡的PS可起到体积排除和增韧材料体系的作用，制备出兼具优秀导电/力学性能的的微孔发泡材料。因此，本实验提供了一种通过材料结构设计制备兼具优异功能性和力学性能轻质功能泡沫材料的新方法。另外，在本项目资助下，已发表相关学术期刊论文9篇，会议论文6篇，参加国际性学术会议2次，全国性学术会议3次，做口头学术报告6次，申请中国专利2项，培养博士研究生2名，硕士研究生2名，圆满完成了项目要求的所有目标。