加工过程中碳质纳米粒子在聚合物共混体系中的分布、迁移、组装及导电性能研究

Great attentions were paid for large-scale preparation of conductive carbonaceous nanoparticles/polymer nanocomposites with low electical perlocation threshold via the common used machining process. It is known that the electrical percolation threshold not only depends on the conductivity of the fillers, but also depends on the dispersion and morphology of the fillers in the polymer matrix. In the current project, we plan to fill the carbonaceous nanopartilces, including carbon nanotube and graphene, etc, into a co-continuous immiscible polymer blends and make the nanofillers selectively locate at the interface between the two polymers via the chemical modification of carbonaceous nanocparticles or the kinetics controlling the migration of carbonaceous nanoparticles between the two immiscible polymers. Since the carbonaceous particles build up electric channel at the co-continous interface, which can fabricate the contuctive polymer nanocomposites with a very low percolation threshold. Moreover, accorinding to the response behavior of the morphologies and structures of the polymer blends to external field, we plan to prepare the conducitve polymer composites with ordered parallel carbonaceous-nanoparticle-stripe via the induction of the shear field during the blending. Due to the presence of parallel conductive stripes, the obtained composite will display significantly anisotropic properties in conductivity, which can be used various fields such as electical devices.

如何通过加工手段大规模制备具有低导电阈值的碳质纳米粒子/聚合物导电复合材料一直是研究人员致力追求的目标。众所周知，导电阈值不仅取决于导电填料自身的导电性能，还取决于加工过程中导电填料在聚合物中的分散状态及形态结构。因此，本研究项目拟把碳纳米管、石墨烯等碳质纳米粒子添加到具有双连续相结构的聚合物共混体系，通过对碳质纳米粒子化学改性或动力学控制其迁移过程等手段，使其选择性分布在双连续共混体系两相界面处，并在相界面上形成导电通道，从而制备具有超低导电阈值的碳质纳米粒子/聚合物导电复合材料。本项目研究还拟利用聚合物共混物形貌对外场的响应行为，通过共混加工过程中剪切外场的诱导作用，使碳质纳米粒子在聚合物共混物中自发地组装形成平行排列的规则条带结构，从而获得具有显著导电各向异性的特殊聚合物导电材料，并应用于电子元器件等众多领域。

高分子导电复合材料作为一种功能高分子材料，在电子、信息、纺织、矿山等行业具有重要用途。众所周知，高分子导电复合材料的导电性能不仅取决于导电填料自身导电性能，同时还取决于导电填料在高分子基体中的分散状态及形态结构，因此精确控制导电填料在高分子基体中导电网络的构建、分布及取向，对调控复合材料导电性能具有重要意义。. 按照项目计划书，我们开展了以下两部分工作:.1）针对目前通用高分子导电复合逾渗阈值过高这一瓶颈问题，我们在剪切共混加工过程中分别建立了动力学和热力学两套方法精确控制导电填料在双连续结构相界面处分布与构建导电网络，使材料逾渗阈值大幅降低两数量级（从1.0 wt%以上降低至0.017 wt%）。由于只需添加极其微量导电填料即可使材料导通，复合材料透光性得到显著改善。.2）目前通过常规方法制备的高分子导电复合材料，由于导电填料无规地分散在高分子基体中，这些导电高分子复合材料的导电性能是各向同性。针对这一问题，我们选用碳纳米管、炭黑等碳质纳米粒子作为导电填料，通过剪切流场诱导作用，使导电填料在高分子基体中自发积聚，沿垂直流场方向形成大范围规则平行条带结构。由于材料内部形成规则取向导电网络结构，导电条带方向与垂直方向电阻率相差8个数量级，材料具有显著导电各向异性。.在本项目的资助下，我们完成了项目研究内容，达到了预期研究目标，在ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon 等国内外期刊上发表SCI论文20篇。