电场辅助各向异性石墨烯/硅橡胶(G-ODA/PDMS)复合膜的制备机理及性能研究

Composite films with anisotropic structure inside can be achieved by external field assisted alignment of nanoparticles in polymer matrix. Nanoparticles dispersed in matrix usually self-assemble to anisotropic nanostructures under external field, which directly impact the electrical and optical properties of composite film. In this project, hence, focuses on increasing the understanding of electric field assisted assembly mechanism of alkylated graphene dispersed in PDMS prepolymer. With the help of custom designed testing system that can monitor optical transmittance and alignment structure on real time, motion laws and formed structure under electric field of graphene can be observed and analyzed, then the model that reflects the relationship among magnetic strength, system viscosity, alignment rate and orientation degree, can be established. Base on this novel technology that graphene aligned by electric field, anisotropic graphene/PDMS rubber composite films will be prepared, and the influence mechanism of dielectric, transmittance and other properties caused by forming three-dimensional graphene array. This work will provide a new processing method and theoretical guidance for the development and application of anisotropic nanocomposites.

通过电场辅助取向纳米粒子的方法可以制备功能各向异性的高分子基复合膜材料。纳米粒子在外场自发取向组装形成各向异性纳米结构，对所形成复合材料薄膜的电学、光学等性能有直接的影响。本项目拟通过对石墨烯进行表面烷基化改性，探究电场下分散在聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体中的石墨烯的取向机理，通过组建薄膜透光率-取向结构在线监测平台，研究石墨烯在电场下实时运动规律及所形成取向结构，建立电场强度、体系粘度、取向速度、取向度之间关系模型。基于电场取向烷基化石墨烯制备各向异性纳米结构的新方法，制备各向异性石墨烯/硅橡胶（G-ODA/PDMS）复合薄膜，研究石墨烯在PDMS中因取向所形成的三维阵列结构对复合薄膜的介电性能、透光率等性能的影响机制，为各向异性纳米复合材料的研究提供新型纳米复合方法及理论指导。

通过微纳结构设计的方法可以实现在较少填料用量下即可大幅度提高复合材料的介电常数。本项目提出的利用电场取向导电粒子石墨烯形成特殊取向结构经研究证明确实可以有效的提高复合材料的介电常数的新策略，实验数据也表明达到了项目提出时预设的目标。比如，经电场制备的SFCs/PDMS复合膜中由于SFCs在“Z”方向的有序排列，能够使材料的介电常数得到明显提升，当SFCs含量为10 wt%时，电场取向制得的复合膜的介电常数为38.6，而未经电场取向制得的复合膜的介电常数仅为10.8，提高了3.6倍。SFCs在复合膜中沿“Z”方向取向排列后能够使复合膜显示出光学上的各向异性，取向所形成的光线通路能够较大程度的通过垂直照射于复合膜表面的光线，对其它角度光线有阻隔作用。.另外通过本项目的资助还进一步探索了引入绝缘粒子钛酸钡穿插在导电粒子中阻止导电通路形成的新概念，也达到了抑制材料介电损耗增加的目的研究，解决了对于添加导电纳米粒子的复合材料体系一直被粒子因形成连续网络导致在“绝缘体-导体”过渡区域出现介质损耗急剧增加的问题。比如，取向后的三相复合膜的介电常数较未取向的复合膜由3.5提升至73.5，而其介电损耗仅由0.1提升至0.19，而纯的石墨两相复合膜的介电损耗却高达396。所制备的石墨含量为2.5 wt%、钛酸钡含量为5.0 wt%的三相取向复合膜能够具有较高的介电常数且维持介电损耗在较低的水平。.在已有研究成果的基础上，将尝试在取向结构中引入光子平均自由程更小的纳米铜，协同石墨烯、氮化硼形成更完善的导热网络，解决因非金属类导热填料由于光子平均自由程较大在导热粒子边界处发生散射而导致的该类介电材料散热不佳的问题。并将通过电场取向技术和 UV光固化3D打印技术相结合制备出新型的高介电、低损耗、高导热的高分子基复合电介质材料。该项目技术拟开发的电介质材料有望应用于电力系统、医疗器械等领域。