混合碳系导电填料在聚合物中的导电逾渗模型及材料导电性能预测

模型和定量关系对于指导材料设计和预测材料性能具有重要意义。在填充型导电高分子材料领域，现有的模型和关系式所描述的对象均为单一导电填料体系，而两种导电填料共用可以实现优势互补，获得综合性能良好的导电材料。本课题组在前期工作中首次基于排除体积理论建立了混合碳系导电填料在聚合物中的导电逾渗模型。本项目拟将该建模思路加以推广和发展，研究更为复杂体系的导电逾渗模型，并导出相应的定量关系。利用该建模思路，研究聚合物/碳纳米管体系的导电逾渗值和碳纳米管的分散程度及长径比之间的关系；采用添加无机惰性填料和有机聚合物两种方法提高聚合物/混合导电填料体系的电性能，建立相应的导电逾渗模型和用于预测材料电性能的定量关系。本项目还将对材料电性能以外的其它性能(如流变性能、动态力学性能和结晶行为等)进行研究，综合评价使用混合导电填料的优势。该研究可以为填充型导电高分子复合材料的结构设计和性能预测提供重要的理论基础。

模型和定量关系对于指导材料设计和预测材料性能具有重要意义。本项目把本课题组基于排除体积理论建立的混合碳系导电填料在聚合物中的导电逾渗模型加以推广和发展，推导出导电逾渗值和两种导电填料的用量比之间的关系式，并制作出工作曲线，用熔融复合的方法获得聚甲醛/碳纳米管/炭黑体系的数据，验证了工作曲线对实践的指导意义；把碳纳米管看作单根和多根团聚体两种导电填料，建立了聚合物/碳纳米管体系的导电逾渗值和碳纳米管的分散程度及长径比之间的定量关系式，并绘制出三维关系图，用聚丙烯/碳纳米管、聚甲醛/碳纳米管和尼龙/碳纳米管等体系的数据验证了该关系式的实用性；研究了碳纳米管在聚碳酸酯/苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等共混物中的分布，用热力学和动力学相结合的方法，从共混物的相形态演变过程，润湿系数以及各组分和碳纳米管的亲和力等方面对碳纳米管的分布和迁移情况进行了解释，对复杂体系建模的关键问题—导电填料的分布有了深入的理解；建立了复杂混合导电填料体系（聚合物/混合导电填料/惰性填料及聚合物共混物/混合导电填料体系）的通用性导电逾渗模型，得到具有普适性意义的定量关系，对碳纳米管/炭黑混合填充聚碳酸酯/苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯/苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚甲醛/玻璃纤维等复杂体系进行了详细研究，用相应的实验数据对模型和定量关系进行了验证；以玻璃纤维/碳纳米管和玻璃纤维/炭黑混杂填充聚甲醛为例，研究了混合填料对材料的结晶性能和动态力学性能的影响，表明混杂填充不仅能够提高材料的导电性能，而且对材料的其它性能也会产生正面影响。研究表明，排除体积理论可以用于共混和复合等较为复杂基体的建模和定量关系式的推导。该研究所建立的模型和关系式为填充型导电高分子复合材料的结构设计和性能预测提供了重要的理论基础。