取向碳系填料和泡孔结构对提升材料导电性能的协同作用定量研究

The conductive particles (with one-dimension (1D) and/or two-dimension (2D) shape) and foam structure have a SYNERGISTIC EFFECT to enhance the electrical performance of conductivity polymer composite (CPC) foams. However, the ambiguous relationship among 1D&2D conductive particle properties (geometrical size, alignment), foam structure (cell size, cell density, cell-wall thickness), and electrical performance significantly hinders the development of CPC foams. Therefore, this project aims to QUANTITATIVELY study this synergistic effect in CPC foams via both THEORETICAL and EXPERIMENTAL research. Carbon nanotubes (CNTs, 1D) and graphene nanosheets (GNS, 2D) are used as conductive particles and added into polystyrene (PS) matrix. Supercritical carbon dioxide (scCO2) foaming is then applied to prepare the CPC foams. Based on experimental research, this study CREATIVELY combines CPCs’ electrical model (Monte Carlo Method) and three-dimension (3D) foam model (Voronoi Method) to establish an ELECTRICAL MODEL for CPC foams. By model CALCULATION, it explicitly reveals the universal relationship among 1D&2D conductive particle properties, foam structure, and CPC foams’ electrical performance. The model calculation overcomes the difficulty of experimental research when synergistic effect is involved. Meanwhile, the large degree of 1D&2D conductive particles’ orientation in the cell walls deteriorates the CPC foams’ electrical performance. Hence, the less orientable carbon black (CB) is also added into the CPC foams. Another electrical model for CPC foams with hybrid carbonaceous additives (CNT/CB and/or GNS/CB) is also established to optimize the hybrid conductive particle properties (concentration, composition) and foam structure (cell size, cell density, cell-wall thickness). The optimization results then guide the fabrication of novel CPC foams by scCO2 foaming method to achieve a low percolation threshold.

提高多孔导电复合材料的导电性能须充分利用一维及二维碳系导电粒子和泡孔结构的协同作用，然而一维及二维导电粒子状态（几何尺寸、取向）和泡孔形貌（孔径、孔密度、壁厚）同材料电导率之间的定量关系尚不明确。为克服这一瓶颈，本项目拟分别选碳纳米管和石墨烯为填料，使用超临界二氧化碳发泡法制备聚苯乙烯基多孔复合材料并深入分析其结构和电导率的关系。在实验基础上，拟开创性地联合实体导电模型（Monte Carlo法）和泡孔模型（Voronoi法），构建多孔复合材料的电导率定量预测模型，揭示普适的一维及二维导电粒子状态和泡孔形貌对材料电导率的定量作用规律。为克服一维及二维导电粒子在孔壁中取向后导电行为弱化的问题，拟再添加不易取向的颗粒状碳黑制备含混合导电粒子（碳纳米管/碳黑及石墨烯/碳黑）的多孔导电复合材料，构建导电模型并优化材料结构，以此为方向调整发泡工艺，开发出具有更低逾渗阈值的新型多孔导电复合材料。

多孔高分子复合材料的泡孔结构和功能填料3D网络结构与材料性能密切相关。本项目结合实验技术（荧光改性和共聚焦显微）和数值模拟（Voronoi和Monte Carlo），对聚合物发泡材料的3D泡孔结构和功能填料的3D网络结构进行了深入定量研究。.项目构建了聚合物发泡材料的3D泡孔结构，探究聚合物发泡材料2D和3D转换关系式，然后采用双荧光结构设计实现了CLSM的多通道模式下同时构建聚合物发泡材料中功能填料的3D网络结构和泡孔的3D结构。借助数值模拟构建了聚合物复合发泡材料中填料3D网络结构模型，研究了不同填料网络结构对填料间平均最短距离的影响。最后利用熔融共混法制备了一系列不同含量、不同配比的混合碳系填料纳米复合材料。研究了不同维度下混合碳系填料3D网络结构对导电性能的影响以及不同泡孔结构对混合碳系填料分布状态的影响。.通过对模型的2D和3D结构分析，发现2D/3D平均泡孔尺寸比值接近0.79，2D/3D泡孔密度比值接近1.21。通过构建FITC@SiO2@SiCW/TPU复合发泡材料FITC@SiO2@SiCW和TPU泡孔的3D结构。研究发现孔壁厚度减小时，孔壁中纤维的取向程度升高，纤维间的平均最短距离增大，但平均最短距离随着纤维长径比的升高而减小。由于孔壁生长的拉升作用，1D填料容易发生取向从而破坏导电网络结构，具有0D结构的普通CB对导电网络没有改善，但具有多维度抓型结构的CB在孔壁内一维受限状态下有助于改善导电网络结构，同时2D的GNP在一维受限孔壁状态下不容易发生取向，因此适量GNP的加入也可以有效抑制1D填料取向作用导致的电导率的降低。.本项目深入研究了聚合物纳米复合材料中填料在发泡过程中因泡孔结构的引入而导致分布状态的变化行为，为多功能碳纳米复合发泡材料的结构设计和性能预测提供了理论指导。基于泡孔壁中填料再分布的深入认识，本项目开发了一种绿色高效无损分散功能填料的新方法，即通过利用超临界二氧化碳微孔发泡技术打散团聚填料，然后设计Defoaming过程使填料选择性分散的新技术，可将未改性&易团聚的功能纳米填料高效分散在表面能相差大的其他基体中。