导电聚合物复合材料

摘要\n导电聚合物复合材料( CPC )因其重量轻、柔韧性好成为可穿戴应变传感器的候选材料，然而成本高、响应度低和耐腐蚀性差严重制约了其实际应用。本研究以市售橡胶带( RB )和低成本炭黑纳米粒子( CBNPs )为聚合物基体和导电纳米填料制备可穿戴应变传感器用超疏水CPC。CBNPs通过超声作用均匀地分布在肿胀的RB表面。然后，将得到的具有粗糙表面的RB / CBNPs复合材料用聚二甲基硅氧烷( PDMS )进行改性，不仅可以赋予复合材料超疏水性能，而且在很大程度上改善了RB与CBNPs的界面黏附性。所制备的RB / CBNPs / PDMS超疏水复合材料具有优异的拒水和防腐性能，即使在循环表面磨损试验后仍保持其超疏水性能，表现出优异的耐久性。此外，RB / CBNPs / PDMS应变传感器具有优异的拉伸性能，断裂伸长率为980 %，高灵敏度，规整因子为242.6 ( ε = 38.8 % ~ 71.4 % )，循环拉伸-释放试验重复性好，可用于检测全身运动。

石墨烯纳米片( GNP )是一种高长径比、导电性能优异的二维板状碳材料。它是导电聚合物复合材料( CPCs )最常用的填料之一，在柔性电极和传感器中具有潜在的应用前景。CPCs的电学性能特别取决于GNP网络的微观结构。当石墨烯浓度达到临界值时，CPCs的电导率跃变了几个数量级，定义为逾渗阈值。对于普通各向同性CPCs，逾渗阈值相对较高，导致力学性能和电学性能较差的性能较差。对齐石墨烯片是降低CPCs渗流阈值的有效方法。当外加磁场时，羰基铁颗粒( CIPs )容易取向形成链状结构。本工作将CIPs和GNPs与聚二甲基硅氧烷( PDMS )混合，在0.5   T的磁场下固化，CIPs的取向诱导PDMS中的GNPs在外加磁场下定向，产生各向异性结构。无论是各向同性还是各向异性结构的GNPs / PDMS复合材料都是以各种GNP浓度制备的。采用实验方法研究了GNPs / PDMS复合材料的微观结构和导电性能。结果表明，与各向同性复合材料( 0.85   vol % )相比，各向异性复合材料形成了各向异性石墨烯网络，渗流阈值为0.15   vol %。GNPs的排列显著降低了渗流阈值。进一步，提出了一种板格模型来揭示GNPs的排列方式对导电网络形成的影响。随着GNPs对位度的增加，逾渗阈值明显降低，这与实验结果一致。