Buckypaper原位化学交联及其应力传递和热传导机理研究

Buckypaper is a kind of thin paper-like sheet with micro-pores, made of plenty of carbon nanotubes (CNTs) in random or oriented. When Buckypaper is used as the reinforcement for polymer matrix composites, it can achieve high CNT contents, and avoid the process of dispersing CNTs in the polymer. However, the interactions between the CNTs are mainly caused by van-der-Waals forces, which are weak to transfer stress or heat efficiently and limit the properties of Buckypaper. Hence, we propose an innovative "in-situ cross-linking technique" to cross-link two contacted CNTs chemically by an organic molecule with multi functional groups. Mechanisms of the stress transferring and heat transmitting in the in-situ cross-linked Buckypaper and its polymer composites are also to be studied. The chemically cross-linked CNTs may have strong interactions to transfer stress and deflect cracks much more efficiently. What's more, the introduced bridges can help transfer heat between CNTs. Therefore, both the mechanical and thermal performances of the bulk Buckypaper, as well as its polymer composites will be highly improved by the approach proposed in this project.

Buckypaper（BP）是碳纳米管的宏观聚集体，呈多孔薄片状结构，用于聚合物复合材料增强体，可实现复合材料中的高碳纳米管含量，且避免了碳纳米管在聚合物中的分散难题。但常规BP中的碳纳米管之间主要依靠较弱的范德华力作用，其应力传递和热传导能力较低。本项目拟对常规BP改性并引入交联剂分子，通过交联剂与碳纳米管间反应实现BP中碳纳米管的“原位化学交联”，形成整体交联的BP，并开展原位化学交联BP在聚合物中的应力传递与导热机理研究。BP中碳纳米管间的化学交联，一方面，可增强碳纳米管间的相互作用力，提高应力传递及裂纹偏转能力，从而提高以BP为增强相的复合材料强度和断裂韧性；另一方面，交联化合物能够以振动传递等机制提高碳纳米管间的热传导能力，提高BP及其复合材料的整体导热能力。因此，实现BP的原位化学交联不仅可望显著提高聚合物复合材料的力学性能，同时还可大大提高聚合物复合材料的导热性能。

Buckypaper，也称碳纳米薄膜，是碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的宏观聚集体，呈紧密堆积的薄片状结构，能够将碳纳米材料优异的性能在宏观结构中很好地反映并应用。Buckypaper具有优异的力学、导电、导热等性能，在许多领域都有着应用前景，将其用于聚合物基复合材料增强体，还可以实现复合材料中的高碳纳米材料含量，且避免了碳纳米材料在聚合物中的分散难题。然而，常规Buckypaper中的碳纳米材料之间主要依靠范德华力、π-π力等相互作用，结合强度较弱，因而Buckypaper中碳纳米材料之间的应力传递和热、电传导能力较低。.本项目提出了一种Buckypaper中碳纳米材料“原位化学交联”的方法，即对常规Buckypaper进行改性，并在其中引入交联剂分子，通过交联剂与碳纳米材料之间的交联反应实现Buckypaper中碳纳米分散相之间的“原位化学交联”，使得Buckypaper形成整体交联。碳纳米材料之间的化学交联，一方面增强了碳纳米材料之间的相互作用，提高了应力传递与裂纹偏转能力；另一方面，能够以振动传递等机制提高碳纳米材料之间的热传导能力，从而提高Buckypaper的导热能力。项目研究中选取了表面含活性基团的碳纳米管薄膜、氧化石墨烯薄膜等体系，采用了苯醌、多胺、异氰酸根封端的聚氨酯等交联剂体系，通过原位浸渗、过滤或者均质共混等方法，实现对Buckypaper的原位化学交联。Buckypaper的原位化学交联一是避免了化学交联引起的碳纳米材料团聚，二是能够更好地使得分散的碳纳米材料之间形成了连贯整体的交联。研究结果表明，化学交联有效地提升了Buckypaper的力学与导热、导电等性能，如多胺交联的还原氧化石墨烯薄膜电导率高达约9000S/cm，聚氨酯交联的还原氧化石墨烯薄膜强度高达约1200MPa。项目研究开发的新型化学交联Buckypaper有望在复合材料电加热层、电磁屏蔽材料等领域实现应用。