温度和流动场作用下导电粒子/高分子溶液体系导电机制研究

熔融加工是高效率，低成本工业化生产导电高分子复合材料（CPC）材料的主要方法，材料中导电网络是在熔体状态下构建并在随后的冷却阶段固定下来，但由于熔体状态下影响导电网络的因素的多样化与复杂化，传统的导电理论、热力学和动力学研究尚不能全面、准确地描述材料内部导电网络的形成和演变过程。为了克服上述困难，我们提出在高分子溶液体系中研究导电粒子的导电机制，相比于熔体状态，高分子溶液体系粘度调节范围更大，影响导电网络形成和变化的因素更容易控制。本项目拟通过导电粒子炭黑（CB）在高分子溶液中的运动规律的研究，探索导电复合材料的导电机理，并探明导电粒子性质、高聚物分子量、温度和剪切场与材料电性能之间的关系，间接地揭示导电粒子在熔体状态下的导电机理，为指导CPC材料的实际生产提供理论基础。

本项目针对环氧树脂导电溶液在不同温度及剪切速率作用下的导电行为，研究了０维碳黑（CB）及一维碳纳米管（CNT）在高分子溶液中的运动规律，进而探讨了溶液状态下导电粒子的导电机制及导电网络的形成和演变过程。此外，研究了聚合物熔体状态下剪切流场及外加电场对CNT及二维石墨烯（GNS）导电填料运动的作用机制，结果发现，有较大的长径比及表面电荷的CNT及GNS易于沿加工流场及外加电场方向定向排列，通过协同调控流场和电场可以获得具有良好搭接形态的导电聚合物复合材料（CPC）。在此基础上，研究了导电填料类型及分布形式对复合材料导电行为的影响规律，结果发现，利用一维CNT及二维石墨烯GNS混合包覆制备的隔离型导电复合材料有较好的填料搭接结构，从而使复合材料的导电逾渗值在降低的同时，还具有较高的电导率。本项目还将GNS片层形成的搭接结构拓展到气体阻隔领域，制备出了超高气体阻隔性能的GNS/PVA纳米复合膜。此外，本项目还利用所获得的填料搭接类型及结构，研究了填料搭接形态对聚合物复合材料导热性能的影响规律，结果发现导热性能对填料的搭接形态要求比导电性能更高。最后研究了GNS基导电复合材料的电磁屏蔽效果，结果发现，GNS基导电复合材料具有较高的电磁屏蔽效率，而且其屏蔽机理以吸收为主。这些研究为高效率、低成本实际生产多功能化导电高分子复合材料提供了理论基础和实践经验。