应力对弹性导体的结构调控及在气氛检测中的应用

In the conductive nanomaterials/polymer vapor-sensitive materials system, the most important question is to control the content and distribution of the conductive nanomaterials in the polymer to a critical point. When exposed to solvent vapor, the composite materials absorb the solvent molecules and swelling or dissolution happens, thus break the conductive path. As a result, the electric resistance of the polymer composites can undergo great changes after adsorption of the solvent vapor. At present, the studies of the conductive nanomaterials/polymer vapor-sensitive materials system are focused on the variation of the content of the conductive nanomaterials. Simple methods on the control of the distribution of the conductive nanomaterials are not reported yet. In this project, by utilizing the unique properties of the flexible conductive composite materials, the distribution of the conductive nanomaterials in the polymer are controlled by external force such as stretch. This method is advantageous in determining the critical sensitivity point of the flexible conductive composite materials, thus avoiding repeatedly preparation of the composite materials. As a consequence, the conductivity and vapor-sensitivity of the composite materials can be controlled at the same time. In this project, conductive nanomaterials such as graphene, carbon nanotubes and carbon black are blended in flexible polymers such as thermoplastic polyurethane and polydimethylsiloxane. The conductivity of the flexible conductive composite materials under external force will be studied first, so as to investigate the vapor detection sensitivity of the composite materials, thus the structure-performance relationship of the composite materials will be revealed.

在导电纳米材料/聚合物溶剂型气敏材料体系中，最关键的问题是控制聚合物中导电纳米材料的含量及分布处于一个临界点，使复合材料中的聚合物在吸附溶剂蒸汽后，发生溶胀或部分溶解，从而破坏复合材料中导电纳米材料组成的导电通路，使其电阻发生显著变化。目前主要是通过制备不同导电纳米材料含量的聚合物复合材料，而无简单有效的方法来控制纳米材料在聚合物中的分布。本项目拟采用弹性导电复合材料，通过拉伸等应力控制导电纳米材料在聚合物中的分布，寻找弹性导电复合材料对不同溶剂蒸汽电阻突变的临界点，从而避免传统方法需多次制备复合材料的繁琐，实现复合材料导电性能和气敏性的有效控制。本项目拟选用石墨烯、碳纳米管、炭黑等导电纳米材料与弹性聚合物如热塑性聚氨酯、PDMS等复合，研究外加应力作用下弹性导电复合材料的导电规律，探讨外加载荷对弹性导体对不同溶剂蒸汽的检测灵敏性，获得应力作用下弹性导电材料与溶剂蒸汽检测的构效关系。

在导电纳米材料/聚合物溶剂型气敏材料体系中，最关键的问题是控制聚合物中导电纳米材料的含量及分布处于一个临界点，使复合材料中的聚合物在吸附溶剂蒸汽后，发生溶胀或部分溶解，从而破坏复合材料中导电纳米材料组成的导电通路，使其电阻发生显著变化。目前主要是通过制备不同导电纳米材料含量的聚合物复合材料，而无简单有效的方法来控制纳米材料在聚合物中的分布。本项目通过将碳纳米纤维、银纳米颗粒等导电纳米材料，通过离子液改性、浸润、溶液混合等方法与热塑性聚氨酯等复合，制备得到弹性导电复合材料。基于SEM、TG、显微镜、形变下电阻变化等考察外加应力对弹性复合材料中导电纳米材料分布以及导电性的影响规律。并基于其以上性能，筛选出具有对溶剂蒸汽具有较高灵敏度的弹性导电复合材料，并设计制备了样品拉伸情况下溶剂蒸汽气敏性检测装置，获得应力作用下弹性导电材料的分布与溶剂蒸汽检测间灵敏度的构效关系。也就是通过拉伸等应力控制导电纳米材料在聚合物中的分布，寻找到弹性导电复合材料对不同溶剂蒸汽电阻突变的临界点，从而避免传统方法需多次制备复合材料的繁琐，实现复合材料导电性能和气敏性的有效控制。此外，在项目的执行过程中，我们发现单纯用导电性较好的银纳米线、银纳米颗粒等作为导电纳米填料，能够制备得到性能非常优异的弹性导电复合材料；但其对溶剂蒸汽气敏检测则不太灵敏。原因在于复合材料中稳固的可拉伸的导电网络无法由于聚氨酯吸收溶剂溶胀而产生较大的电阻变化。因此，本项目组不仅完成本项目的预期目标，而且在探索过程中也通过各种方法制备得到性能优异的弹性导电复合材料，取得了额外的研究成果。