剪切流场诱导的新颖导电各向异性聚合物薄膜

各向异性材料是指材料在相互垂直的两个方向具有不同性能指标。在我们的日常生活中就能发现大量的各向异性材料,如木材、竹子、肌肉等。人工设计具有取向微纳结构的导电各向异性材料在众多高技术领域微电子器件、光电器件、包装材料等领域具有重要应用,目前制备导电各向异性材料正在成为当今的一个新兴热点。然而,目前只有少量研究工作通过磁场、电场、机械力场等诱导导电粒子在高分子中形成取向结构,使材料具有导电各向异性。

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近年来,中国科学研究院长春应用化学研究所朱雨田团队发现利用剪切流场可以诱导导电石墨烯、碳管组装形成取向性条带结构,获得导电各向异性聚合物薄膜。然而,该材料导电各向异性离实际应用还有一段距离,并且所用导电填料较为昂贵填料(石墨烯、碳管)。为此,他们将剪切流场诱导各向异性复合材料方法推广到常用的炭黑复合体系,并且通过流变学手段以及剪切过程复合材料形貌在线跟踪对导电平行条带结构形成机理进行了探究。研究发现,形成最佳平行导电条带结构所需添加导电填料含量取决于导电粒子维度。分别采用零维炭黑、一维碳纳米管、二维石墨烯复合,最佳填充量为2.5 wt%、1.5 wt%和1.5wt%。此外,研究结果发现炭黑作为导电填料时候制备的导电各向异性材料,导电各向异性最为显著,其平行条带方向和垂直于条带方向的电阻率相差了8个数量级,优于碳纳米管或石墨烯填充体系制备的导电各向异性复合材料,是目前导电各向异性最为显著的高分子复合材料。最后,流变学研究表明负的第一法向应力差是导致条导电填料沿着涡度方向集聚形成条带结构的根本原因。他们发展的剪切流场诱导方法为多功能各向异性复合材料设计提供了一种全新的途径。相关论文在线发表在Macromolecular Materials and Engineering (DOI: 10.1002/mame.201600026)。

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