基于超细纤维网络支架的导电高分子复合材料的构筑及其导电机理研究

Conductive polymer composites (CPCs) have attracted many reseachers due to their popular applications in electric apparatus, electronics industry, coal industry, chemical industry, etc. Through traditional processing methods, carbon black (CB) filled CPCs always show high conductive filler concentration at the insulator-conductor transition region (i.e., percolation threshold region), which limits the application of CPCs greatly in many fields. In the present proposal, electrospun nylon 6 (PA6) non-woven fabrics will be soaked in the surface functionalized CB dispersion to prepare conductive network film by localizing CB particles on the surface of electrospun PA6 ultrathin fiber framework. Whereafter, sanwich-like compounded film with the conductive PA6 fabrics as the ‘core’ and two polyethylene films as “skin” will be prepared. The CPC will be prepared by melt mixing the pelletized sanwich-like film to construct a nice conductive network to lower the percolaton threshold. The influence of the size of fiber and the localization of CB particles on the microstructure and percolation behavior of the CPC will be studied; based on the response partten of the CPC in the thermal, mechanical, organic solvent fileds, the model for the relationships of structure-external field-properties of the CPC will be proposed, the conductive mechanism will be further investigated to provide theoretical basis and experimental foundation for the application of the CPC. This proposal will provide a new approach to manufacture CPC with nice combined properties; meanwhile, due to the ultrathin fiber network skeleton, the conductive property of the CPC will be very stable in the external fields during processing.

导电高分子复合材料（Conductive Polymer Composites，CPCs）因在电器、电子、煤矿、化工等领域广泛应用而受到研究者普遍关注。常规方法制备的炭黑(CB)填充CPCs往往具有较高的绝缘体-导体转变含量(即逾渗值)，这极大限制了其应用。本项目拟利用表面官能化CB的分散液浸渍电纺尼龙6纤维膜，将CB粒子分布在超细纤维支架的表面预制导电薄膜，并以此薄膜做“芯”与上下两层聚乙烯膜按“三明治”结构复合，将复合膜破碎后熔融加工构筑三维导电网络，制备CPCs，拟显著降低CB填充CPCs的逾渗值。研究纤维尺寸、CB分布对CPCs微观结构、逾渗行为的影响；结合材料对温度、应力、有机溶剂等外场的响应规律，建立CPCs结构-外场-性能关系模型，揭示CPCs导电机理，并为其应用提供理论依据和试验基础。本项目为制备具有良好综合性能，且电性能受成型加工外场影响极小的CPCs提供了新思路。

导电高分子复合材料(CPCs)的研究和开发是当今高分子材料功能化的一个重要课题。探索和发展CPCs制备新方法，降低材料导电逾渗值，获得良好加工性且电性能受成型加工外场影响极小的导电复合材料是近年来CPCs研究的重点和热点。本文结合聚合物加工工艺控制，制备了含导电纳米纤维网络的炭黑(CB)/尼龙6(PA6)/高密度聚乙烯(HDPE)CPC，深入研究了上述CPCs的逾渗行为及材料对温度、溶剂、应力等外场的响应规律，得出了大量对CPC理论研究和实际应用具有重要意义的结果。主要研究成果如下：.一、填料分布控制及微观形态、电性能研究. 利用静电纺丝技术和加工工艺控制，成功制备了CB粒子选择性分布在纤维表面的CB/PA6/HDPE CPC，研究了材料的形态结构。材料的导电逾渗值为4.3 vol%，仅约为普通CB/HDPE复合材料(8.5 vol%)的二分之一。复合材料中PA6的含量仅为1.5 vol%，这大大降低了复合材料的成本。用逾渗理论对CPC电性能进行分析，发现材料具有较高的导电网络因子t，其值为2.57。这与CB的不均匀分布和隧道导电效应有关。.二、温度电阻行为研究. 经恒温热处理，同时实现了复合材料强的正温度系数效应(PTC)和弱的负温度系数效应(NTC)。这主要归因于复合材料中CB/PA6导电单元和从CB/PA6膜上脱落的CB粒子组成独特的导电网络在恒温热处理中的演变。不同升温速率的升降温循环中，复合材料PTC强度在升温速率为2 °C/min时达到最大值。这主要是由基体体积膨胀及热残余应力影响的相互竞争所致。复合材料降温阶段的温度电阻行为对升温终点温度表现出明显的依赖性。.三、有机溶剂敏感行为研究. 材料具有较好的液体敏感选择性，采用相互作用参数对上述现象进行了解释。对比研究了复合材料在有机溶剂中浸润72小时前后的液体敏感行为。发现浸润72小时之后，CPC在有机溶剂中的响应度有所下降。.四、应力敏感行为研究. CPC电阻率随拉伸形变的增大呈指数形式增加。循环拉伸实验中，复合材料电性能在低应变3%下稳定性、重复性好。多次拉伸循环可明显提高应变-电阻响应的稳定性，这与该过程中导电网络的结构演变密切相关。