空间限域强制组装法制备高性能聚合物基导电复合材料机理的研究

摘要

聚合物基导电复合材料是最重要的聚合物功能复合材料之一，在能量存储，电池电极，3D打印材料，电磁屏蔽，柔性显示器，智能传感器等方面有广泛的应用需求。理论与实践表明，在聚合物基体中形成连续紧密的导电填料网络是制备超高电导率聚合物基复合材料的关键。传统方法普遍通过增加导电填料的体积分数至电导率突升的逾渗阈值以上。由于聚合物基体本身电导率很低，通过在绝缘的聚合物基体中加入大长径比或大比表面积的导电填料，如炭黑粒子、碳纤维、片状石墨、碳纳米管和石墨烯，并采用合适的加工混合方法在聚合物基体中构建导电网络是当下研究聚合物基导电复合材料的焦点。
　　目前，主要有三种构建导电网络的方法:导电填料自组装法、双连续相法和相分离法。虽然达到逾渗阈值后继续增加填料的体积分数，还可以进一步提高复合材料的电导率，但电导率的增加非常缓慢，却造成了材料加工性能和力学性能的大幅下降。电导率无法进一步大幅度提升的主要原因，在于导电填料间的平均间距对复合材料电导率的影响远大于填料体积分数的影响。
　　为了进一步大幅度提升复合材料的导电性能，本文提出了一种旨在有效减小导电粒子平均间距的导电网络构建方法:空间限域强制组装法（SCFNA），其核心就是通过机械手段，对共混体系进行空间限域挤压和界面微纳米机械组装，从而对功能分散相施加远大于自组装作用力的“强制组装力”，强制“挤走”导电粒子间的聚合物，实现了导电网络的密实化，为大幅度提高导电性能提供了可能性。本文主要研究内容包括:
　　1，采用该方法分别选取了热固性聚二甲基硅氧烷(PDMS)和热塑性聚丙烯(PP)两种聚合物基体，选用短切碳纤维(SCF)为导电填料，制备并获得了导电性能比传统共混法电导率高出数倍甚至数量级提高的导电复合材料PDMS/SCF和PP/SCF。导电渗流阈值仅为0.45wt％和3.5wt％。研究了加工参数、填料浓度、压缩厚度、微结构阵列对复合材料导电性能的影响。发现压缩厚度是除填料浓度外影响复合材料电导率的一个重要因素，尤其在高填料浓度下。验证了空间限域强制组装法制备高性能导电复合材料的可行性和性能提升潜力。
　　2，采用空间限域强制组装法制备了三元导电复合材料，对比石墨烯、超导炭黑粒子，发现多壁碳纳米管与短切碳纤维协同组合复合材料导电性能最优。同时三种组份的加工混合顺序明显影响复合材料的导电性能和机械性能，改变三组份PDMS、（导电炭黑）CCB、SCF混合加工顺序，PDMS/SCF/CCB复合材料的导电性能和力学性能发生变化。采用PDMS与CCB先密炼共混后再加入SCF共混的加工顺序制备的复合材料导电性能最优，而采用SCF与CCB混匀后再加入PDMS密炼共混的加工顺序制备的复合材料力学性能最优。
　　3，采用空间限域强制组装法制备了PDMS/SCF-Bolting Cloth（筛网）导电复合材料，其中筛网起到了降低复合材料导电渗流阈值和提高复合材料机械性能双重作用，导电渗流阈值低至0.06wt％。此外，通过控制筛网层数可获得单表面绝缘或者双表面绝缘的导电复合材料。通过添加少量纳米填料如超导炭黑粒子、石墨烯等可调节材料表面导电性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与研究意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的和意义

1．2 聚合物基导电复合材料

1．2．1 聚合物基导电复合材料概况

1．2．2 常用导电填料

1．2．3 聚合物基导电复合材料的常用制备方法

1．3 自组装法构建导电网络的局限性

1．4 强制组装法构建连续紧密导电网络

1．5 论文主要研究方向与研究内容

1．5．1 论文主要研究方向

1．5．2 论文的主要研究内容

第二章 空间限域强制组装法的提出

2．1 SCFNA法制备高性能聚合物基导电复合材料流程

2．2 SCFNA法制备高性能聚合物基导电复合材料机理

2．3 SCFNA法制备高性能聚合物基导电复合材料装置

第三章 SCFNA法制备PDMS／SCF导电复合材料与性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料与装置

3．2．2 PDMS／SCF复合材料的制备

3．2．3 表征与测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 加工参数对电学性能的影响

3．3．2 PDMS／SCF复合材料性能研究

3．3．3 压缩厚度对复合材料电学性能的影响

3．3．4 微纳结构阵列对复合材料性能的影响

3．4 本章小结

第四章 SCFNA法制备PP／SCF导电复合材料与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料与装置

4．2．2 PP／SCF复合材料的制备

4．2．3 表征与测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 加工参数对电学性能的影响

4．3．2 PP／SCF复合材料性能研究

4．3．3 压缩厚度对复合材料电学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 SCFNA法制备三元导电复合材料与性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料与装置

5．2．2 三元导电复合材料的制备

5．2．3 表征与测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 三元导电复合材料性能研究

5．3．2 组份混合加工顺序对PDMS／SCF／CCB三元复合材料导电性能的影响

5．3．3 石墨烯对导电复合材料力学性能的影响

5．4 本章小结

第六章 SCFNA法制备PDMS／SCF-Bolting Cloth导电复合材料与性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验原料与装置

6．2．2 PDMS／SCF-Bolting cloth复合材料的制备

6．2．3 表征与测试方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 PDMS／SCF-Bolting Cloth复合材料性能研究

6．3．2 压缩厚度对复合材料电学性能的影响

6．3．3 筛网对复合材料性能的影响

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文及专利情况

作者和导师简介

附件