聚合物/石墨烯复合材料的结构调控与导电性能的研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianshanfeiren
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石墨烯具有优异的导电性能和极大的长径比,是制备高性能高分子导电复合材料的理想填料。众所周知,高分子导电复合材料的导电性能取决于导电网络的构建。因此,如何使石墨烯有效地构建导电网络,充分发挥石墨烯优势,成为制备高分子/石墨烯复合材料的关键。本论文以化学还原石墨烯(CRG)为填料,期望通过调控石墨烯分散,促进导电网络的构建,实现具备优异导电性能高分子/石墨烯复合材料的制备。主要有以下结论:  (1)通过溶液共沉淀法制备了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)/CRG复合材料。在制备过程中,氧化石墨烯(GrO)的还原是在ABS溶液中进行的,苯乙烯-丙烯腈(SAN)分子链的存在有效抑制了CRG的聚集;另外,交联后的聚丁二烯(PB)橡胶粒子不能溶解于溶剂中,CRG均匀分散于基体相SAN中。橡胶相的体积排除效应促进了CRG网络结构的形成,使复合材料表现出优异的导电性能,其导电逾渗浓度仅为0.13 vol%。CRG网络结构的形成对复合材料的流变性能产生明显影响,使材料流变特性逐渐向类固体行为转变。另外,复合材料经过210℃热处理后,材料导电性能得到一定程度的提升。  (2)通过溶液共沉淀法制备了SAN/CRG复合材料,对复合材料的导电及流变性能进行了研究。研究发现由于SAN和CRG之间的相互作用,CRG片层之间被聚合物层所隔离,电子的遂穿效应主导了复合材料的导电性能。由于CRG的均匀分散,复合材料的导电逾渗浓度仅为0.17 vol%,流变逾渗浓度仅为0.1vol%。两者之间的不一致,是导电网络和流变网络所需要的网络结构的致密度不同所引起的。将复合材料在190℃下热处理后,复合材料的导电性能大幅度提高,提高幅度最高可达三个数量级。通过XPS和流变测试发现,热处理过程中,CRG的进一步还原及其网络结构的完善是导电性能提升的原因。另外,CRG的存在可以有效降低最大热失重速率,这是因为CRG网络对降解小分子产生了物理阻隔作用。  (3)利用GrO/H2O胶体分散液的盐析效应,使GrO絮凝沉积在聚苯乙烯(PS)粒子表面,制备了PS@GrO核壳微球。将核壳微球化学还原后,热压成型制备了PS/CRG隔离结构复合材料。在这个材料中,石墨烯片层被PS粒子所隔开,并强制形成蜂窝状网络结构。这种网络结构可以充分发挥石墨烯优势,提高材料导电性能。探讨了PS粒子尺寸对复合材料导电性能的影响,并对其进行了理论预测。发现粒子尺寸越小,复合材料导电性能越差,具体表现为电导率的降低和逾渗浓度的升高。这是因为PS粒子尺寸越小,制备核壳粒子所需石墨烯的量越大。另外,受核壳粒子包覆情况及成型条件影响,实验值与理论预测模型有较大偏差。  (4)为了进一步改善PS/CRG隔离结构复合材料的导电性能,在GrO表面负载了银纳米粒子,并制备了PS/CRG/Ag隔离结构复合材料。在负载过程中,由于GrO发生了聚集,导致银纳米粒子的负载及核壳粒子的包覆都不均匀。即便如此,在银纳米粒子负载量仅为8.3-9.3 wt%(相对于GrO)的情况下,当CRG含量为1.45 vol%时,复合材料的导电性能仍可以提高四倍。这种增强效果是两方面原因造成的:一方面,局部区域银纳米粒子浓度较高,自身形成导电通路,通过提高复合材料局部电导率改善整体导电性能;另一方面:银纳米粒子在CRG表面缺陷点起到桥接作用,改善了电子传输环境。  (5)为了进一步探讨絮凝法制备高分子/石墨烯核壳粒子的普适性,尝试了GrO对聚偏氟乙烯(PVDF)粒子的包覆及其隔离结构复合材料的制备。发现由于PVDF粒子和GrO之间相互作用的缺失,GrO无法在PVDF粒子表面完成包覆。用丙烯酰胺对PVDF粒子进行表面接枝改性后,由于酰胺基团和GrO之间的相互作用,PVDF@GrO核壳粒子得以成功制备。结合PS@GrO核壳粒子的制备,认为高分子微球和GrO之间必须具备一定的亲和作用,以使小部分GrO在絮凝前吸附在微球表面,形成初级核壳粒子;在加入絮凝剂后,该初级核壳粒子起到“絮凝异相成核剂”的作用,GrO片层在其表面不断自组装沉积,并形成了最终的核壳粒子。由于PVDF粒子极大的尺寸,PVDF@CRG核壳粒子制备的复合材料表现出了优异的导电性能:逾渗浓度仅为0.031 vol%;当CRG含量仅为0.035vol%时,复合材料电导率就已经高达1.71×10-4 S/m,高于抗静电临界值10-6S/m两个数量级。
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