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廈門大學白華教授等 Small：自復合 - 用于提高石墨烯納米片/熱固性樹脂復合材料導電性能的有效方法

2023-05-09 來源：高分子科技

近年來，導電聚合物納米復合材料（CPNs）因其優異的導電性能、易加工、低成本以及高比強度而受到關注，廣泛應用于電磁屏蔽、儲能和傳感等領域。CPNs的導電性能主要取決于納米填料的自身性質和分布狀態。與其他填料相比，石墨烯在聚合物復合材料的研究中展現出了更為突出的性能優勢。當石墨烯在聚合物基體中組裝形成連續而完整的網絡時，復合材料的電導率可以得到顯著提升。傳統的石墨烯改性聚合物復合材料通常采用直接混合的方式制備，但這種由隨機取向的二維石墨烯組成的導電網絡是低效的，往往依托于填料的高負載，難以滿足高導電材料的開發需求。與之相比，三維石墨烯網絡填充聚合物的方式則基本上保留了網絡結構，顯示出高導電性。然而，這種石墨烯網絡的構建過程大多都是繁瑣復雜的，并且與常規的聚合物加工方法不夠兼容，難以在工業規模上操作。因此，發展一種適配工業的簡易策略對于高導電復合材料的開發具有重大意義。

近期，廈門大學材料學院的白華教授和胡曉蘭副教授團隊開發了一種簡單、通用的新型自復合策略，通過優化電子傳輸通道的方式來提高石墨烯納米片（GN）/熱固性樹脂復合材料的導電性。為了實現這一策略，該研究團隊將傳統的GN/熱固性樹脂粉碎成微米級的復合粉末，與GN混合形成新的復合填料，以制備與熱固性樹脂的自復合材料。在不增加GN含量的前提下，復合材料的導電性能得到了明顯的改善。

圖1. 自復合材料的制備流程示意圖。

研究表明，當傳統的GN/熱固性復合材料被粉碎后，由于GN的二維形態和柔韌性，所得復合粉末的表面形成了致密的高導電石墨烯層。同時，粉末顆粒可以誘導GNs在流動態樹脂膠液中的取向分布，從而增加粉末之間區域的導電性。這兩個因素優化了GNs的分布，導致自復合材料內部形成了有效的網絡結構，從而顯著提高了導電性和導熱性。并且，由于復合粉末與樹脂基體之間具有良好的相容性，因此自復合材料保留了優良的機械性能。這種方法可以應用于各種熱固性樹脂，如環氧樹脂（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的自復合材料的電導率為3.6 × 10^?1 S m^?1，相對其初始復合材料提高了1280%；基于CE的自復合材料的電導率為2.2 × 10^?1 S m^?1，相對其初始復合材料提高了1038%；基于UPR的自復合材料的最大電導率達到25.9 S m^?1。考慮到自復合方法的簡單性和通用性，這種方法在開發高導電材料方面有著廣泛的應用前景。

圖2. 自復合策略提升電導率的原理示意圖。

圖3. 自復合加工前后材料的機械性能、電導率、熱導率對比。

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

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

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（責任編輯：xu）

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