刚性无机颗粒增韧导电导热聚合物基纳米复合材料研究

制备同时具有优秀导电导热等功能性、超高韧性和足够高刚性等力学性能的聚合物纳米复合材料是国民经济快速发展中迫切需要解决的关键科技难题。本项目充分利用1纳米厚度石墨烯纳米片层的优秀导电导热特性和巨大比表面积，在尽可能低石墨烯用量下赋予聚丙烯优秀导电导热性能。以刚性无机纳米颗粒碳酸钙作为增韧剂，通过对纳米碳酸钙表面完全修饰改性和复合加工工艺优化，赋予导电导热纳米复合材料超高韧性，避免了橡胶增韧纳米复合材料所导致的强度和刚度的过大损失。更有意义的是，纳米碳酸钙颗粒同时起到体积排出作用，将石墨烯和碳纳米管在导电导热纳米复合材料中的含量减到最低。比较石墨烯和碳纳米管提高聚丙烯导电导热性能的效率。最终探索出一条制备不仅具有优秀导电导热等功能性、而且同时具有超高韧性和足够高刚性的多功能聚合物基纳米复合材料的新途径。本项目的实施和完成必将推动多功能和高力学性能纳米复合材料的更广泛实际应用。

本项目的研究目的在于制备同时具有优秀导电和韧性的聚合物基纳米复合材料。采用对氧化石墨烯同时进行还原和表面修饰的方法制备了几种表面接枝氨基或银纳米颗粒的石墨烯; 通过原位聚合制备了热稳定性好和导电的尼龙6/石墨烯纳米复合材料；通过熔体复合制备了聚丙烯/石墨烯、聚丙烯/碳纳米管、聚乙烯/碳纳米管、尼龙12/石墨烯、尼龙12/碳纳米管、以及尼龙6/炭黑导电纳米复合材料；通过溶液共混制备了聚苯乙烯/石墨烯导电纳米复合材料。体积排除概念被成功应用于降低聚合物纳米复合材料的导电渗滤阈值。由于聚乳酸组分的体积排除作用，它的加入明显减小了聚苯乙烯/石墨烯导电纳米复合材料的渗滤阈值。马来酸酐接枝的聚乙烯-辛烯橡胶(POE-g-MA)的使用明显提高了尼龙12/石墨烯导电纳米复合材料的韧性、降低了其导电渗滤阈值。聚丙烯/石墨烯和聚丙烯/碳纳米管导电纳米复合材料分别被三元乙丙橡胶和聚乙烯-辛烯橡胶增韧。通过与POE-g-MA熔体复合，制备出的尼龙12/碳纳米管/POE-g-MA和尼龙6/炭黑/POE-g-MA纳米复合材料呈现超高韧性和优秀导电性能，POE-g-MA 橡胶起到了增韧和体积排除的双重作用。使用无机刚性颗粒纳米碳酸钙成功增韧了聚丙烯/碳纳米管、聚乙烯/碳纳米管、以及聚乙烯/炭黑导电纳米复合材料。随着纳米碳酸钙含量增加，纳米复合材料的缺口冲击强度和导电率都明显提高。在冲击破坏过程中，纳米复合材料基体发生显著塑性屈服是冲击能量耗散的主要机理。本研究的新意在于：无论纳米碳酸钙还是橡胶都起到了增韧和体积排除的双重作用，从而赋予了聚合物基纳米复合材料高的韧性和导电性能。基于本项目研究，已经发表国际学术期刊论文14篇，申请中国发明专利3项，参加学术交流会议6次，培养5名博士研究生和9名硕士研究生。