纳米填料非均匀分布导电聚合物复合材料的构筑及其性能研究

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填充型导电聚合物复合材料在抗静电、电磁屏蔽、传感器等不同领域有着广泛的应用,受到人们的普遍关注。如何控制导电填料在聚合物基体中的分布,是实现高效导电网络构筑的核心关键问题。长期以来,人们普遍追求导电填料在聚合物基体中均匀分散,但这类导电材料通常具有较高的逾渗阈值。本文选用碳纳米管为导电填料,通过热力学不相容共混体系构筑双逾渗结构,结合选择性刻蚀以及热压成型工艺,制备碳纳米管非均匀分布的导电聚合物复合材料,系统研究了碳纳米管非均匀分布复合材料的制备、结构及性能。具体的研究内容如下:(1)双逾渗导电聚合物复合材料的构筑及其性能表征利用乙烯-辛烯共聚物(POE)/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)和聚氨酯弹性体(TPU)/共聚酯弹性体(TPC)两个不相容共混体系,制备了具有双逾渗结构的导电聚合物复合材料。通过熔融共混法,系统研究了聚合物组分体积比、碳纳米管(CNTs)共混顺序及含量等对双逾渗结构形成的影响。结果表明,利用CNTs与共混物不同组分间亲和性差异,可以诱导CNTs在熔融加工过程中向双连续相中亲和性更强一相迁移,得到CNTs选择性分布于一相的导电聚合物复合材料。相比于传统一锅法共混制备的复合材料,通过分步法制备的双逾渗结构复合材料具有更优异的导电性能和力学性能。(2)多孔导电聚合物复合材料的构筑及其性能表征以POE/PBAT/CNTs、TPU/TPC/CNTs共混体系构筑双逾渗结构,通过选择性刻蚀含有CNTs的PBAT(或TPC)相,可以获得孔道内壁覆有CNTs的多孔POE(或TPU)导电复合材料。结果表明,POE/PBAT/CNTs体系刻蚀PBAT相后仍然能维持良好的力学性能,且多孔结构显著降低了复合材料的密度。PBAT相的刻蚀使原本分散在PBAT相中CNTs覆盖于POE多孔结构表面,形成导电网络,多孔复合材料的导电性能明显提升。类似的结果也可以在TPU/TPC/CNTs共混体系中得到,经选择性刻蚀TPC后,获得致密CNTst涂层覆盖于TPU孔道表面的多孔TPU导电复合材料。(3)填料非均匀分布导电聚合物复合材料的构筑及其性能表征利用前述制得的孔壁覆有CNTs的多孔材料进行热压成型,可以获得CNTs非均匀分布的导电聚合物复合材料。这种非均匀的分布状态能有效降低导电复合材料的逾渗阈值。值得注意的是,CNTs呈非均匀分布的TPU/CNTs与随机分布的复合材料相比,在小形变时具有更高的敏感度,可应用于人体运动检测。
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