南工大材料学院：低渗流阈值PVDF/MWCNT复合材料的导电、流变及机械性能研究

2024-04-24 来源：高分子科技

近年来，随着电子设备朝着微型化、柔性化和可穿戴化的方向发展，传统导电材料存在质量大、难加工、价格贵、易于氧化等缺点，难以满足人们对导电材料的需求。而导电聚合物基复合材料（CPC）具有出色的加工性能、机械性能、电气性能和电阻可调性，因此备受关注。

近日，以南京工业大学材料科学与工程学院硕士研究生汤骏航为第一作者、毛泽鹏副教授为通讯作者在国际期刊Polymer Composites发表题为“Low percolation threshold polyvinylidene fluoride/multi-walled carbon nanotube composites: A perspective of electrical conductivity, crystalline, rheological and mechanical properties”的研究工作。该工作选用大长径比的一维导电填料多壁碳纳米管（MWCNT）修饰绝缘聚合物聚偏氟乙烯（PVDF），通过简单熔融共混的工艺制备了PVDF/MWCNT复合材料，探究了MWCNT在PVDF中的渗流阈值，以及其对PVDF的流变和机械性能的影响。

图1 PVDF/MWCNT中导电通道的形成过程及体积电阻率

PVDF/MWCNT复合材料的体积电阻率与MWCNT的体积分数之间存在显著的渗流效应。当MWCNT的含量小于0.7 vol%时，PVDF/MWCNT复合材料的体积电阻率接近纯PVDF（3.97 × 10¹² W?m），仍处于绝缘状态。此时，虽然MWCNT在PVDF中出现了部分相互接触的区域，但是很难形成完整的导电通路。MWCNT的含量继续增加，其在PVDF中相互接触的概率也随之增加。1 vol% 的MWCNT可以在PVDF中形成更为完整的导电网络，实现电荷的传输。此时，复合材料的体积电阻率降低了11个数量级，含有1 vol% MWCNT的复合材料体积电阻率仅为3.71 × 10¹ W?m。显然，MWCNT的渗流阈值在0.7至1 vol%之间。通过渗流理论公式，拟合得到理论渗流阈值为0.81 vol%，这与实际值非常吻合。MWCNT在PVDF中的渗流阈值较低，是因为MWCNT具有较大的长径比，易在基体中构筑长程导电通路。

在本研究中，使用一维导电填料MWCNT在绝缘聚合物PVDF中构筑导电通道，探究了MWCNT在PVDF中的渗流阈值。利用MWCNT的大长径比，在极低的含量下形成较为完整的导电网络。值得一提的是，PVDF/MWCNT的流变性能受到的影响较小，大长径比的MWCNT使PVDF/MWCNT的机械性能得到增强。

原文链接：https://doi.org/10.1002/pc.28324

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（责任编辑：xu）

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