层状硅酸盐/导电粒子复配调控高分子材料电阻力场敏感性及其协同机理研究

Conductive polymer composites(CPCs) used to manufacture stretchable and compressed flexible electronic components and sensors, is a research focus in the recent years. However, the stability and strength of resistance sensitivity to force need to be improved, and the mechanism of force sensitivity is still not clear. This project intends to explore the construction conditions under which the synergistic effect of the hybrid fillers in CPCs can perform optimally by adding nanoclay into CPCs to modify the response of conductive particle networks under applied force field. The rheological behaviors and other performance of materials such as thermal property and mechanical property will be examed, and then the preparing technique of well-dispersed force-sensitivity CPCs will be optimized. Furthermore, through investigating the effect of nanoclay as the second-phase filler on the conductive network constructed by different scales of conductive particles, we try to establish the relationship between the microscopic structure and the force sensitivity performance of CPCs. Based on the analysis of interactions between nanoclay and conductive particles and combined with the fitting theoretical model of tribasic condutive composite materials, we will reveal the mechanism of nanoclay tailoring the force sensitivity of CPCs finally. These will provide theoretical guidance and technique support to develop multi-function and high-performance polymer-composite force sensors.

导电高分子复合材料用于制备可拉伸、压缩的柔性电子器件和传感器，是近年来的研究热点之一。然而，电阻敏感的稳定性与强度亟需提高，且力敏机理仍不明确。本项目拟通过添加纳米层状硅酸盐(nanoclay)来改变不同拓扑结构的导电粒子网络的力场响应行为，探索力敏导电高分子复合材料中多相填料协同效应的构筑条件，并研究材料的流变行为、热性能、力学性能等，优化和发展良好分散的导电力敏高分子复合材料的制备工艺。通过考察nanoclay作为第二相填料对不同尺度导电粒子网络结构的影响，尝试建立导电高分子复合材料微观结构与性能间的关系；分析nanoclay与导电粒子的相互作用，并结合三元导电复合材料力敏特性的理论拟合模型，最终揭示nanoclay调控导电复合材料力场敏感性的作用机理，为多功能化、高性能化的聚合物基力敏复合材料的构筑提供理论指导和技术支持。

基于导电粒子/高分子复合材料（CPCs）传感器在电子器件化、智能化中的重要地位，开展CPCs传感器的高性能化结构设计与内在调控机制等的相关研究工作显得尤为重要。本项目主要将第二相绝缘成分与导电粒子复配协效的理念引入到力敏CPCs的研究中，围绕导电粒子形貌与尺寸、二相绝缘成分与导电粒子复配调控导电网络结构，发展新型高敏感性、稳定性好且具优异力学性能的压敏、气敏智能复合材料及其制备技术，建立了具有多层次结构的力敏CPCs组成-微观结构-宏观性能的构效关系，并揭示力敏行为优化的内在作用机制。主要研究结果有：.（1）发展了一种新的方法（非导电粒子与导电粒子复配）实现了对一维导电粒子/硅橡胶复合材料电阻外场依赖性的优化。少量非导电粒子（层状硅酸盐clay)在导电网络结构内部构筑绝缘隔离结构，从而有效促进导电网络结构在外场作用下的结构演化。相比导电粒子/硅橡胶二元体系，含clay体系的压敏电阻变化幅度提高3个数量级，气敏响应时间从150s减少到15s，检测浓度极限低至1PPb。.（2）Clay的添加会导致二维片层石墨烯（rGO）填充硅橡胶体系的压敏强度适当提高。因界面作用弱，体系的压敏稳定性差，且回复性不佳。电性能-流变行为同步测试结果证实被破坏的rGO网络结构很难恢复。.（3）系统研究了加工工艺、含量等因素对rGO/硅橡胶力学、导电性能、蠕变行为的影响，证实了少量（<0.5wt%）rGO即可显著提高材料的抗蠕变性能，归因于石墨烯独特的表面粗糙结构和高比表面积有利于限制聚合物分子链段的运动。rGO在材料中获得更好的分散和界面，对应材料抗蠕变能力越好，拉伸强度和断裂伸长率越高。对导电性能而言，溶液超声法制备的体系导电阈值最低，电导率最高。.（4）采用简单、低成本方法成功制备了一系列压缩回弹性优良、并具多种功能的三维结构石墨烯带、rGO基多孔压敏材料，形变量可达80%，压敏强度在80%左右。促进了微力敏感压敏传感器的发展及性能优化。硅烷偶联剂既可促进三维结构的构筑、材料力学、压敏性能的优化，又可赋予其疏水功能。