[发明专利]导电纳米纤维复合高分子发泡材料电导率预测方法

说明书

本发明涉及一种导电纳米纤维复合高分子发泡材料电导率预测方法，属于高分子材料技术领域。本专利中引入了泡孔结构与导电填料分布状态。模型的构建过程中考虑了孔径、孔壁厚度、发泡倍率等对导电填料在泡孔壁内取向重排使得导电填料的分布改变的影响。因此本模型与实际聚合物导电发泡材料的微观过程中多尺度多维度多组分的结构特点十分贴切，最后成功预测了导电纳米纤维复合高分子发泡材料的电导率。

技术领域

本发明涉及一种导电纳米纤维复合高分子发泡材料电导率预测方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

近年来，超临界二氧化碳发泡工艺制备的聚合物微纳孔发泡材料，因其质轻、成本低、加工过程绿色环保等优势，受到聚合物新材料及其相关行业的广泛关注。导电高分子复合材料具有质轻、易加工、耐化学腐蚀、结构和电性能易调控等诸多优势，可广泛替代传统的金属或陶瓷材料应用于燃料电池双极板、电磁屏蔽、介电储能、静电防护等诸多领域。将导电高分子材料引入泡孔后，能进一步改善其电学性能使材料兼具导电高分子和发泡材料的优势。因此，微纳孔导电高分子发泡材料近年来吸引了国内外众多科研人员的广泛关注。掺杂有高导电性的一维(1D)导电纤维，其含量、长径比、在基体中的分布状态等影响着基体内部导电网络的变化，进而影响发泡材料的电导率。若导电纳米纤维的长径比大、含量较高，则发泡材料的电导率较高。但由于实验条件的限制，我们无法控制不同长径比、填料含量过高等情况下的导电纳米纤维对发泡后材料的电导率的影响。那么，通过构建聚合物发泡材料的电导率模型与现有实验数据的匹配，展现其正确性，再通过参数的调控，预测实验条件难以达到的情况下的发泡材料的电导率，进而为实际实验作理论推测。

采用超临界二氧化碳发泡法制备的高分子发泡材料，其内部泡孔呈现多面体结构，在多面体的面上(即泡孔的孔壁上)选择性分布的纤维状纳米导电填料的含量、直径、长度、填料本征电导率、分散状态等对导电纤维纳米复合高分子发泡材料的电导率有显著影响。由于孔壁呈现二维薄壁特性，纤维状纳米导电填料在孔壁内为面内随机取向而面垂直方向一维受限分布。尽管导电纤维纳米复合高分子发泡材料在电磁屏蔽领域已有大量应用(电磁屏蔽效果与发泡材料电导率直接相关)，然而定量预测导电纤维纳米复合高分子发泡材料电导率的计算方法仍处于空白，因为导电纤维纳米复合高分子发泡材料呈现出多尺度(宏观发泡材料、微尺度泡孔和纳尺度填料)、多维度(二维孔壁和一维纤维填料在三维空间中以泡孔结构随机分布)和多组分(聚合物基体、泡孔中气相的空气和孔壁中的导电填料)的特点。

非专利文献(Nanotechnology.2013 Jul 5；24(26):265704.)描述的是开孔铝发泡材料电导率的计算，其中构建了电导率模型，预测了金属铝泡沫的电导率趋势。该文章同时考虑到了泡孔结构对金属材料电导率的影响。但由于金属和聚合物材料本身性质不同，金属发泡材料或合金发泡材料本身导电，其泡孔结构对电导率的影响主要是通过影响金属材料本身的结构实现，不存在多组分、多维度间的复杂关系，且仅存在微尺度泡孔和宏观尺度，较为简单。聚合物-导电纤维纳米复合材料，通过引入泡孔结构后，其电导率的影响因素极其复杂，既存在宏观发泡材料、微尺度泡孔和纳米尺度填料间不同微观尺度对宏观性能的影响，又存在一维填料、二维孔壁与三维空间中泡孔等不同维度的结构间的分布，同时存在聚合物基体、泡孔中的气相空气和孔壁中的导电填料间多组分多项的复杂体系的相互影响，这些复杂因素共同影响着导电纤维纳米复合高分子发泡材料电导率。所以该模型无法预测如此复杂情况下的导电纤维纳米复合高分子发泡材料的电导率。

在发泡技术领域，导电纤维纳米复合高分子发泡材料呈现出多尺度(宏观发泡材料、微尺度泡孔和纳尺度填料)、多维度(二维孔壁和一维纤维填料在三维空间中以泡孔结构随机分布)和多组分(聚合物基体、泡孔中气相的空气和孔壁中的导电填料)的特点，上述特点使得导电纤维纳米复合高分子发泡材料的定量计算极为复杂。现有的文章和技术均未充分考虑导电纤维纳米复合高分子发泡材料多尺度多维度多组分的特点，因此无法准确预测材料的电导率。目前，亟需导电纤维纳米复合高分子发泡材料的电导率模型为实验条件苛刻、复杂、难以达到的导电纤维纳米复合高分子发泡材料的电导率进行预测。

发明内容