科创中国

本研究针对目前高导电橡胶产品价格昂贵的现状，利用石墨烯纳米片（GNSs）的优异导电性能，采用新的定向排列技术（不同于现有的外加强磁场、电场、溶致液晶等方式）使石墨烯纳米片定向排列到丁苯橡胶（SBR）中，开发新型的高取向排列GNSs/SBR导电复合材料。主要研究GNSs在水体系中的表面改性技术，采用乳液聚合法及模具成型方式制备复合橡胶材料，研究利用重力场与橡胶固化过程中的水蒸发效应的协同作用控制GNSs在复合材料中的定向排列技术，研究所制备复合材料的导电性能、力学性能、耐磨性能及其影响因素，开发出新型高取向排列GNSs/SBR复合导电材料。所制备的GNSs/SBR复合橡胶材料将具有如下特征：GNSs定向排列 到SBR基体中，石墨烯的导电渗滤阀值不大于0.15wt%；复合橡胶的电导率达到0.5S/cm以上，复合橡胶拉伸极限应变不低于300%，拉伸强度不低于7MPa；相对未改性的SBR橡胶材料，复合橡胶的耐磨性能得到明显改善。本项目开发的新型高GNSs/SBR橡胶复合材料具有导电性能好，石墨烯添加量低，耐磨性能好、环境友好等特点，在电磁屏蔽、能源、信息光电产品等领域具有广泛的应用前景。

导电橡胶材料在能源、信息、光电产品、传感、分子导线和分子器件，以及金属防腐、电磁屏蔽和隐身技术等方面有着广泛的应用前景。现有的导电橡胶中的导电填料仍以碳基材料（如炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等）和导电金属粉体（如 Ag、Ni、Cu 粉等）为主，另外还有少部分以石墨烯为导电填料的导电橡胶的研制报道。现有的石墨烯改性导电橡胶，其技术指标为：渗滤阀值（导电橡胶体积电阻率发生突变的导电填料含量）在 0.5%-20%（重量百分比或者体积百分比）之间，大多大于 1%，由于目前的石墨烯的价格比较昂贵，因此高的渗滤阀值意味着石墨烯的添加量较高，同时，目前国内研发的这类复合橡胶材料，其电导率均较低，目前石墨烯复合导电橡胶的电导率大多在 10-4～10-2S/cm 量级，离高导电应用（如电磁波屏蔽、光电产品衬垫等）还有一段距离。 现有的石墨烯改性橡胶，由于所用的橡胶基体不一样，因此此处以石墨烯的添加量来间接表示其原材料成本，石墨烯用量越高，其原材料的成本越大。对于石墨烯随机排列的复合导电橡胶，达到较好导电性能（～0.1S/cm）的石墨烯添加量在10%左右，石墨烯的高含量添加，必然会大幅增加原材料成本，因此迫切需要降低石墨烯的添加量。 本研究以高导电的石墨烯纳米片（GNSs）为导电增强剂，采用定向排列技术，使GNSs纳米片能定向排列到丁苯橡胶（SBR）基体中，极大地降低渗滤阈值(拟使石墨烯的渗滤阀值不大于 0.15wt%)，同时可以极大地提高导电性，使GNSs/SBR复合材料的电导率达到0.5S/cm以上。所研制的GNSs/SBR复合橡胶保持较好的力学性能：拉伸极限应变不低于300%，拉伸强度不低于7MPa；相对未改性的SBR橡胶材料，复合橡胶的耐磨性能得到明显改善。 在生产相同甚至更高性能的导电橡胶时，从原材料、设备投入、时间成本考虑，本研究提出的GNSs/SBR复合橡胶能带来可观的经济利益。

（1）用于电子设备的防电磁泄漏和防电磁干扰。 我们制备的高取向排列GNSs/SBR复合导电橡胶，其电导率可达到S/cm量级，常用的电磁屏蔽的高导电橡胶，其导电填料采用高含量 Ag、Ni等贵金属填料，这类导电橡胶材料由于Ag、Ni等含量高，制备工艺复杂，其价格非常昂贵，高达几千元/Kg，我们开发的 GNSs/SBR 复合导电橡胶，导电性能优秀且能大幅降低价格，可以开发成导电胶条、导电衬底、导电板材等用于电子产品的电磁屏蔽需求。更重要的是，我们开发的GNSs/SBR复合导电橡胶，导电性能具有各向异性。在平行于GNSs方向，具有高的导电率，而在垂直于GNSs方向，一方面GNSs本身垂直方向的电导率较低，另一方面，由于GNSs的沉降，必然导致部分SBL上浮，形成绝缘层。我们制备的这种在导电性方面具有各向异性的复合材料特别适合于高精密电子设备的电磁屏蔽应用，高导层提供优秀的电磁屏蔽能力，绝缘层可以防止电子元器件之间的导通短路问题。 （2）用于印刷线路板或者液晶显示器的连接器 本项目开发的导电橡胶为异向性导电橡胶，在平行GNSs排列方向上的导电性能好，而在垂直于GNSs方向上的导电性能差，甚至可以为绝缘体。因此这种橡胶适合做印刷电路板触头的低电阻连接器或液晶显示器内的高电阻连接器，橡胶具有弹性，它可以与电路板很好地稳定接触。

团队长期从事纳米复合材料、纳米功能材料的研究。该团队带头人毛健教授（博士研究生导师），第九批四川省学术和技术带头人后备人选。在四川大学材料科学与工程学院从事教学科研工作。先后承担或主研参加国家科技支撑计划子项目、国家863计划子项目、省市的重点研发计划及企业横向科研项目等多项，以第一作者/通信作者身份发表SCI/EI收录论文140余篇，获得国家授权发明专利10余项。研发团队人数15人，拥有高级职称人数4人，经验丰富，分工明确。 主要团队成员为王飞（四川大学材料科学与工程学院副研究员），研究方向主要为纳米复合材料和第一性原理（DFT）计算等，已在 Adv. Mater.、Mater. Horiz.、Energ. Environ. Mater.、Small、Small Struct.、Chem. Eng. J.、ACS ***. Interf.等国内外杂志以第1作者（包含通讯作者）发表论文30余篇，承当多项省部级项目，申请专利5项（授权2项），研究成果被“MateralsViews”等知名媒体多次报导。

本研究前期投入经费约20万元，研究进行期间发表科研论文8篇，其中被SCI收录7篇，国家发明专利受理3项。接下来的研究在于工艺的放大，进行小试和中试，最终实现产业化，预期需要再投入经费为200万元，时间为2年。 目前在这高导电、高力学性能橡胶的高附加值领域还被国外垄断，国内的竞争力较弱。本研究可以推动国内该领域科学技术发展，打破该技术的国外技术垄断。 在自然资源和生态环境方面，该材料的制备工艺环保，对环境友好。基体材料选择了以水为溶剂的丁苯胶乳，并且采用蒸发固化方式，不添加有机溶剂和固化剂，有利于保护环境。 目前的电磁屏蔽用高导电橡胶大多采用含 Ag、Ni 等贵金属粉体来实现，这些金属粉体均需要较高的添加量才能实现较高的导电性能，而这些贵金属又是不可再生的。而本项目利用GNSs的定向排列及石墨烯的高导电特性来实现橡胶的高导电性能，尽管现阶段石墨烯的价格还比较高，但随着石墨烯制备技术的逐渐成熟以及应用的逐渐深入，以目前地球上广泛存在的碳基材料为基础制备的石墨烯的价格终将大幅下降，且地球上的碳资源也是可循环利用的。因此，本项目的开发GNSs/SBR导电橡胶对于节约 Ag、Ni等贵金属资源具有明显的社会效益。

希望以技术合作的形式开展项目，本课题组主要进行科学技术研究和科学、技术问题的解决，主要负责辅助有兴趣企业进行放大实验和产品化生产，希望成果转化后能作为产品，打破国外垄断，实现高端导电橡胶国产化。 项目资金预计在200万元左右，主要用于该项目实施过程中的原材料购买、测试费用、设备购买、人员经费等。