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廈門大學(xué)白華教授等 Small：自復(fù)合 - 用于提高石墨烯納米片/熱固性樹脂復(fù)合材料導(dǎo)電性能的有效方法
2023-05-09  來源：高分子科技

  近年來，導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合材料（CPNs）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性能、易加工、低成本以及高比強(qiáng)度而受到關(guān)注，廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽、儲(chǔ)能和傳感等領(lǐng)域。CPNs的導(dǎo)電性能主要取決于納米填料的自身性質(zhì)和分布狀態(tài)。與其他填料相比，石墨烯在聚合物復(fù)合材料的研究中展現(xiàn)出了更為突出的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)石墨烯在聚合物基體中組裝形成連續(xù)而完整的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率可以得到顯著提升。傳統(tǒng)的石墨烯改性聚合物復(fù)合材料通常采用直接混合的方式制備，但這種由隨機(jī)取向的二維石墨烯組成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是低效的，往往依托于填料的高負(fù)載，難以滿足高導(dǎo)電材料的開發(fā)需求。與之相比，三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)填充聚合物的方式則基本上保留了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯示出高導(dǎo)電性。然而，這種石墨烯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程大多都是繁瑣復(fù)雜的，并且與常規(guī)的聚合物加工方法不夠兼容，難以在工業(yè)規(guī)模上操作。因此，發(fā)展一種適配工業(yè)的簡(jiǎn)易策略對(duì)于高導(dǎo)電復(fù)合材料的開發(fā)具有重大意義。


  近期，廈門大學(xué)材料學(xué)院的白華教授和胡曉蘭副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種簡(jiǎn)單、通用的新型自復(fù)合策略，通過優(yōu)化電子傳輸通道的方式來提高石墨烯納米片（GN）/熱固性樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)電性。為了實(shí)現(xiàn)這一策略，該研究團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的GN/熱固性樹脂粉碎成微米級(jí)的復(fù)合粉末，與GN混合形成新的復(fù)合填料，以制備與熱固性樹脂的自復(fù)合材料。在不增加GN含量的前提下，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能得到了明顯的改善。 


圖1. 自復(fù)合材料的制備流程示意圖。


  研究表明，當(dāng)傳統(tǒng)的GN/熱固性復(fù)合材料被粉碎后，由于GN的二維形態(tài)和柔韌性，所得復(fù)合粉末的表面形成了致密的高導(dǎo)電石墨烯層。同時(shí)，粉末顆粒可以誘導(dǎo)GNs在流動(dòng)態(tài)樹脂膠液中的取向分布，從而增加粉末之間區(qū)域的導(dǎo)電性。這兩個(gè)因素優(yōu)化了GNs的分布，導(dǎo)致自復(fù)合材料內(nèi)部形成了有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而顯著提高了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。并且，由于復(fù)合粉末與樹脂基體之間具有良好的相容性，因此自復(fù)合材料保留了優(yōu)良的機(jī)械性能。這種方法可以應(yīng)用于各種熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂（EP）、氰酸酯（CE）和不飽和聚酯樹脂（UPR）等。在GN添加量同為10 wt.%的情況下，基于EP的自復(fù)合材料的電導(dǎo)率為3.6 × 10?1 S m?1，相對(duì)其初始復(fù)合材料提高了1280%；基于CE的自復(fù)合材料的電導(dǎo)率為2.2 × 10?1 S m?1，相對(duì)其初始復(fù)合材料提高了1038%；基于UPR的自復(fù)合材料的最大電導(dǎo)率達(dá)到25.9 S m?1？紤]到自復(fù)合方法的簡(jiǎn)單性和通用性，這種方法在開發(fā)高導(dǎo)電材料方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 


圖2. 自復(fù)合策略提升電導(dǎo)率的原理示意圖。 


圖3. 自復(fù)合加工前后材料的機(jī)械性能、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率對(duì)比。

  該工作以“Self-compositing: A Efficient Method of Improving the Electrical Conductivity of Graphene Nanoplatelet/Thermosetting Resin Composites”為題發(fā)表在《Small》上（DOI：10.1002/smll.202300931）。文章的通訊作者是廈門大學(xué)的白華教授和胡曉蘭副教授，文章第一作者是廈門大學(xué)碩士研究生邱曉文。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202300931

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