構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)是制備高性能導(dǎo)電導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的關(guān)鍵，目前廣泛采用的自組裝成網(wǎng)模式因自組裝力不足，難以得到密實的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能遠低于預(yù)期值。進一步增加導(dǎo)電填料的體積分數(shù)，雖然會增加網(wǎng)絡(luò)的密度，但對網(wǎng)絡(luò)上導(dǎo)電粒子平均間距的進一步減小貢獻不大，反而會造成復(fù)合材料加工性能和力學性能的大幅下降。
為解決上述問題，應(yīng)該探索能夠有效減小導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上粒子間平均間距的新加工方法。北京化工大學塑料機械研究所所長吳大鳴教授團隊提出了一種空間限域強制組裝法（SCFNA）制備導(dǎo)電導(dǎo)熱復(fù)合材料的新方法，其實質(zhì)是在限制自組裝網(wǎng)絡(luò)擺動自由度的條件下，對松散的自組裝網(wǎng)絡(luò)進行強制壓縮組裝。從而對功能分散相施加遠大于自組裝作用力的“強制組裝力”，強制“擠走”導(dǎo)電粒子間的聚合物，實現(xiàn)了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的密實化，為大幅度提高導(dǎo)電性能提供了可能性。在填料含量不變的前提下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率成數(shù)倍甚至成數(shù)量級的提高。同時復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也獲得了數(shù)十倍提高。該方法目前在熱塑性復(fù)合材料，熱固性復(fù)合材料及光固化復(fù)合材料均獲得顯著效果。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名復(fù)合材料期刊Composites Part A。
通過制備方法的創(chuàng)新，實現(xiàn)了用“強制組裝”方法替代目前“自組裝”方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的重要突破，相同配方條件下，采用SCFNA法制備的聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能高出2-4個數(shù)量級。制備的聚二甲基硅氧烷-碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能提高1-5個數(shù)量級。同時，獲得了聚合物基復(fù)合材料關(guān)于強制組裝厚度上的導(dǎo)電滲流現(xiàn)象。相關(guān)研究得到業(yè)內(nèi)同行的高度關(guān)注，有望較大程度地推進聚合物基導(dǎo)電導(dǎo)熱復(fù)合材料技術(shù)的進步。同時對于開辟注射機與螺桿擠出機新功能具有重大的工程實用價值。
圖1 工藝路徑
圖2 SCFNA理論模型
圖3 SCFNA制備聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料各流程中碳纖維網(wǎng)絡(luò)演化規(guī)律
圖4 熔融共混法與強制組裝法制備聚丙烯碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能對比
圖5 聚丙烯碳纖維復(fù)合材料關(guān)于強制組裝厚度上的導(dǎo)電滲流現(xiàn)象
相關(guān)成果主要有：
《Composites Part A》, 102(2017)：88-95;
《RSC Advances》,7(2017)：14761-8;
《Polymer Engineering & Science》, 57. 3（2017）：268-274;
《Polymer Engineering & Science》, 57. 3（2017）：268-274;
《Advance in Polymer Technology》, 2017;00:1-11,doi: 10.1002/adv.21815
《Applied Thermal Engineering》, 121（2017）：492-500
一種限域空間微納米精密組裝法制備高性能聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的方法[P], ZL 201610885809；
2017“光威杯”中國大學生高性能復(fù)合材料科技創(chuàng)新競賽一等獎。
該工作得到了國家自然科學基金委、有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室、中英北京化工大學-Bradford大學學術(shù)交流項目、中國博士后基金的支持。相關(guān)論文的第一作者主要有北京化工大學博士后高小龍,博士孫靖堯，第一通訊作者吳大鳴教授,聯(lián)合通訊作者黃堯老師。
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17302956
