注射导电高分子复合材料分层微观结构协同调控机制的研究

It is an important issue to contorl the microstructure of polymer composites during processing. Taking injection-molded multiscale conductive-fillers filled-polymer composites as an object of study, and their conductive and mechanical performances as control aims, this project investigates the effect of processing stess field on multiscale assembly of condctive-fillers and its evolutive mechanics in the matrix , which is to understand the inherent relationship among processing conditions, microstructure formation and conductive property of the composites. To improve both conductive and mechanical properties of the molding, the project takes a new scheme that the microstructures of the molding might be controlled layered synergistically between skin-layer and core-layer. Two methods, named as induced-phase spiltting control within a layer and self-assembly control between layers, to build three dimensional continuous conductive network within the molding, which is beneficial to decrese percolating value and increase mechancal property of such molding. Furtherly, the project uses random reperentative volume element(RVE) to describe the intrinsic relationship between the microstructure and the property of the composites. Furtherly, the morphology of the fillers and their connection in the matrix is defined by the parameters of the morphology. Then, the modulus and the conductivity of the composites are calculated with Mean-field Method and General effective Media Equation. The results calculated are varified by experiments. The research presents both academic value and application prospect in the field of functional composites manufacturing and their processing optimum design based on their microstructure development.

微观结构调控是高分子复合材料加工的关键问题之一。本项目以多尺度导电介质填充聚合物注射成型为研究对象，以其导电性能和力学性能为调控目标，研究填充介质在成型力场作用下的多尺度组装效应及其演化机制，阐明注射工艺、微观结构演化与导电性能变化之间的内在联系。围绕注射制品导电性能和力学性能的增强，本项目提出了表层和芯层微观结构分层协同调控的新构想，采用层内诱导分相和层间介质自组装两种调控方法，在注射制品内部构建三维连续导电网络，降低制品的渗流阈值。在此基础上，对填充导电介质形态及其搭接方式进行参数化定义，在随机生成的体积代表元上，利用平均场方法和通用有效介质模型计算材料的弹性模量和电导率，并对计算结果进行实验验证。本项目对于发展基于微观结构调控的功能化聚合物复合材料制备及其加工工艺优化具有重要的学术价值和应用前景。

注塑导电高分子材料具有典型的皮芯结构。由于剪切流场的作用，导电填料在不同方向的分散与迁移运动速率有所不同，在制品皮层形成高取向、低相对质量的高阻层，大幅降低了导电高分子材料的导电性能。本项目针对这一问题，主要研究不同尺度的导电介质，如碳纤维、碳纳米管等微纳混杂导电填料，利用其在注塑流程中不同的分散迁移运动属性，调控其皮-层结构，减小皮层高阻层对高分子导电性能的不利影响。执行期间取得的重要成果包括：. （1） 成功制备长碳纤维（CF）和碳纳米管（CNT）的混杂填充，通过对CF和CNTs进行表面改性，实现了C NTs在PA基体中的良好分散，利用CNTs与CF表面基团间的相互作用实现了两者的桥接，使渗流阈值降低到了2%以 下。注塑后制品的电阻率<100Ω.cm，与传统注塑导电高分子材料相比，导电性能提高了10倍以上。. （2设计开发了一套长碳纤维复合材料制备综合实验线，制备了长碳纤维、玻纤混杂增强聚丙烯、尼龙复合材料，得到了导电性能与力学性能皆有显著提高的的注塑导电高分子材料。从理论上研究了长碳纤维在注塑成型过程中的骨架结构对力学性能与导电性能的提升作用。复合材料的拉伸强度大于290MPa,高于目前汽车、轨道交通常用的6系铝合金的抗拉强度170MPa。作为新的轻量化材料成功用于宇通客车轻量化座椅骨架制造和宇通客车空调壳体的制造中，产生了较大的社会效益和经济效益。. （3）在上述研究的基础上，利用发泡注塑调控高制品的微观结构及力学性能。研究发现，发泡注塑对于注塑皮层结构有很好的调控效应。与短纤维增强不同，长纤维发泡在减轻重量15%的同时，依然保持了良好的力学性能,为注塑制件的轻量化设计提供了新的理论基础。研究成果目前正在与中国汽车工程学会合作，在汽车中通制件的微孔发泡轻量化中进行使用。. （4）针对CF接枝碳纳米管的微纳混杂结构，开发了碳纤维宽展、浸润、改性一体化技术，解决了碳纤维表面改性的损伤难题，并利用自行搭建的在线注塑系统，将注塑样品中纤维保留长度提高到了2毫米以上，大幅提高了制品性能。同时，将CF与CNT接枝处理的时间由60分钟以上大幅降低到了10分钟，为批量化工程应用奠定了基础。