厦门大学白华教授等 Small：自复合 - 用于提高石墨烯纳米片/热固性树脂复合材料导电性能的有效方法

2023-05-09 来源：高分子科技

近年来，导电聚合物纳米复合材料（CPNs）因其优异的导电性能、易加工、低成本以及高比强度而受到关注，广泛应用于电磁屏蔽、储能和传感等领域。CPNs的导电性能主要取决于纳米填料的自身性质和分布状态。与其他填料相比，石墨烯在聚合物复合材料的研究中展现出了更为突出的性能优势。当石墨烯在聚合物基体中组装形成连续而完整的网络时，复合材料的电导率可以得到显著提升。传统的石墨烯改性聚合物复合材料通常采用直接混合的方式制备，但这种由随机取向的二维石墨烯组成的导电网络是低效的，往往依托于填料的高负载，难以满足高导电材料的开发需求。与之相比，三维石墨烯网络填充聚合物的方式则基本上保留了网络结构，显示出高导电性。然而，这种石墨烯网络的构建过程大多都是繁琐复杂的，并且与常规的聚合物加工方法不够兼容，难以在工业规模上操作。因此，发展一种适配工业的简易策略对于高导电复合材料的开发具有重大意义。

近期，厦门大学材料学院的白华教授和胡晓兰副教授团队开发了一种简单、通用的新型自复合策略，通过优化电子传输通道的方式来提高石墨烯纳米片（GN）/热固性树脂复合材料的导电性。为了实现这一策略，该研究团队将传统的GN/热固性树脂粉碎成微米级的复合粉末，与GN混合形成新的复合填料，以制备与热固性树脂的自复合材料。在不增加GN含量的前提下，复合材料的导电性能得到了明显的改善。

图1. 自复合材料的制备流程示意图。

研究表明，当传统的GN/热固性复合材料被粉碎后，由于GN的二维形态和柔韧性，所得复合粉末的表面形成了致密的高导电石墨烯层。同时，粉末颗粒可以诱导GNs在流动态树脂胶液中的取向分布，从而增加粉末之间区域的导电性。这两个因素优化了GNs的分布，导致自复合材料内部形成了有效的网络结构，从而显著提高了导电性和导热性。并且，由于复合粉末与树脂基体之间具有良好的相容性，因此自复合材料保留了优良的机械性能。这种方法可以应用于各种热固性树脂，如环氧树脂（EP）、氰酸酯（CE）和不饱和聚酯树脂（UPR）等。在GN添加量同为10 wt.%的情况下，基于EP的自复合材料的电导率为3.6 × 10^?1 S m^?1，相对其初始复合材料提高了1280%；基于CE的自复合材料的电导率为2.2 × 10^?1 S m^?1，相对其初始复合材料提高了1038%；基于UPR的自复合材料的最大电导率达到25.9 S m^?1。考虑到自复合方法的简单性和通用性，这种方法在开发高导电材料方面有着广泛的应用前景。

图2. 自复合策略提升电导率的原理示意图。

图3. 自复合加工前后材料的机械性能、电导率、热导率对比。

该工作以“Self-compositing: A Efficient Method of Improving the Electrical Conductivity of Graphene Nanoplatelet/Thermosetting Resin Composites”为题发表在《Small》上（DOI：10.1002/smll.202300931）。文章的通讯作者是厦门大学的白华教授和胡晓兰副教授，文章第一作者是厦门大学硕士研究生邱晓文。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202300931

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（责任编辑：xu）

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