导电性聚(乙烯呋喃酸酯)/聚乙烯/石墨烯纳米复合材料中界面锁定石墨烯的工程设计与性能研究

本文创新性地研究了石墨烯纳米片（GNP）在生物基聚(乙烯呋喃酸酯)/聚乙烯（PEF/PE）共混体系中的界面锁定效应。通过调控混合序列（Seq-A/B/C），首次实现了GNP在聚合物界面的热力学稳定定位，使PEF/PE/GNP纳米复合材料的电渗流阈值降至0.97 vol%，较单一聚合物体系（PEF/GNP 6 vol%、PE/GNP 7 vol%）降低600%。研究证实界面定位的GNP形成三维导电网络（临界指数t=1.7），并通过能量阱效应（ΔEinterface/KBT≈106）抑制高温迁移。该工作为生物基高分子多功能复合材料开发提供了新策略。

　　

导电纳米复合材料的设计突破
研究聚焦于导电聚合物纳米复合材料（CPCs）中石墨烯纳米片（GNP）的精准定位策略。传统CPCs依赖导电填料在单一聚合物基体中的随机分散，但高渗流阈值（6-7 vol%）限制了应用。通过构建聚(乙烯呋喃酸酯)/聚乙烯（PEF/PE）不相容共混体系，利用界面张力差异（γ_PEF/PE=5.89 mJ/m²）实现了GNP的界面捕获，湿润系数ω=0.52预示了热力学稳定性。

混合序列的动力学控制
对比三种混合工艺发现：同步混合（Seq-A）使GNP直接定位于界面，形成三维网络；而预混PEF（Seq-B）或PE（Seq-C）导致GNP被锁定在初始相。提取实验证实，Seq-A样品中HFIP/p-二甲苯提取液几乎无色，表明90%以上GNP驻留界面。这种定位使电导率提升8个数量级（10^-16→10^-8 S/cm），显著优于单一体系。

渗流行为的定量解析
功率律模型揭示Seq-A样品具有超低渗流阈值（φ_p=0.97 vol%），临界指数t=1.7证实三维导电网络形成。计算显示GNP脱离界面需克服巨大能量势垒（ΔE_interface/PE=1.25×10⁶ K_BT），解释了其高温稳定性。通过Peclet数（Pe>10⁵）证实剪切力主导的动力学过程是定位关键。

形貌与性能的构效关系
SEM显示GNP使PEF/PE相尺寸从100μm降至10μm，但退火处理（240°C/1h）未引发相粗化，证实界面锁定效应。有趣的是，添加10 wt% PE-g-MA相容剂虽改善相形态，却因破坏GNP网络连续性导致电导率下降，凸显"导电-相容"权衡效应。

材料本征特性影响
商用GNP的有限剥离度（XRD显示d=3.36?堆叠）制约性能提升。通过Halpin-Tsai模型计算有效长径比仅5，导致PE/GNP体系需8.5 vol%才能渗流。对比文献中高质量石墨烯（φ_p=0.47 vol%）说明材料纯度的重要性。

生物基聚合物的突破意义
作为PET的绿色替代品，PEF的脆性（β-松弛抑制）通过共混得到改善。本研究首次实现PEF基材料的导电功能化，其界面工程策略可拓展至其他生物聚酯体系，为可持续电子器件开发奠定基础。