文章创新点

本文通过杂化粒子场分子动力学模拟方法，深入探究了碳纳米管（CNTs）在三嵌段共聚物聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）基体中的分散机制，揭示了CNTs长径比对复合材料相行为和电导率的显著影响。

研究发现，高长径比的CNTs能够诱导SBS基体发生相结构转变，从双连续相向层状相变化，同时降低逾渗阈值，优化CNTs分散效果，实现相态转变与导电性能之间的平衡。此外，研究进一步开发了非平衡态杂化粒子分子动力学模拟方法，利用该方法发现引入拉伸应变不仅能诱导CNTs有序排列，还能调控三嵌段共聚物的自组装行为，进一步优化导电网络，提升复合材料的导电性能。

本文创新性地结合图论分析，揭示了CNTs导电网络在拉伸应变下从团簇状到链状的转变机制，为理解CNTs在纳米复合材料中的结构演变提供了新的视角，增强了导电网络的连通性和电子传输能力，为高性能纳米复合材料的设计和优化提供了新的思路。

文章背景

随着柔性电子技术的快速发展，导电聚合物纳米复合材料（CPNs）在可穿戴设备、柔性显示器和生物医学传感器等领域的应用需求日益增长。碳纳米管（CNTs）因其卓越的力学、电学和热学性能，被视为提升CPNs性能的理想填充材料。然而，CNTs在聚合物基体中的分散性问题一直是制约其性能发挥的关键瓶颈。本研究旨在探索一种能够有效调控CNTs分散的策略，并深入理解其在聚合物基体中的作用机制，对于开发高性能纳米复合材料具有重要意义。

文章概述

      大连民族大学曹保胜团队赵英课题组与吉林大学朱有亮研究员、北京师范大学许小可教授、意大利那不勒斯费德里科二世大学Giuseppe Milano教授合作构建了三嵌段共聚物SBS和CNTs的粗粒化模型，通过调整CNTs的长径比和浓度，利用杂化粒子场分子动力学模拟方法和图论分析方法，深入研究了CNTs在SBS 基体中的分散状态（图1）和导电网络形成机制。该工作还得到了吉林大学吕中元教授、复旦大学李卫华教授和北京化工大学刘军教授等人的指导和帮助。

图1 碳纳米管（CNTs）在S₆B₁₀S₆基体中达到平衡后的自组装形貌：(a) 20% CNTs浓度下不同长径比（S₆B₁₀S₆CNT₂、S₆B₁₀S₆CNT₄和S₆B₁₀S₆CNT₆）的纳米复合材料平衡后的自组装形貌对比；(b) 当CNTs浓度从12%变化到20%时，S₆B₁₀S₆CNT₈体系的自组装形貌转变；(c) 在降低CNTs浓度到7%和8%时，S₆B₁₀S₆CNT₁₂体系自组装结构的比较；(d) 在较低的CNTs浓度6%和7%下，S₆B₁₀S₆CNT₁₆体系的自组装形貌。

      研究结果表明，三嵌段共聚物S₆B₁₀S₆在未添加CNTs时会形成双连续相结构（图2a），为CNTs的分散和导电网络的形成提供了有利的基体环境。对于CNTs的长径比较小时，CNTs能够在其S₆B₁₀S₆形成双连续相导电网络（图2b）。而对于长径比较大的CNTs，其存在会诱导S₆B₁₀S₆基体从双连续相向层状相转变（图2c-2d）。

图2   CNTs含量为6%时的复合材料的自组装形貌和结构因子分析。图中比较了S₆B₁₀S₆基体与不同长径比CNTs的S₆B₁₀S₆CNT复合材料的结构因子。（a）S₆B₁₀S₆基体的结构因子；（b）S₆B₁₀S₆CNT₂复合材料中PS相和CNTs的结构因子，研究较低长径比CNTs的影响；（c） S₆B₁₀S₆CNT₈复合材料中PS相和CNTs的结构因子，研究较高长径比CNTs的影响；（d）S₆B₁₀S₆CNT₁₆复合材料中PS相和CNTs的结构因子，研究更高长径比CNTs的影响。

文章进一步分析了CNTs在拉伸条件下的取向行为（图3）。发现拉伸应变能够促进CNTs重新整合到PS相区，有助于提高电导率。

图3 拉伸应变条件下S₆B₁₀S₆-CNT复合材料中的序参数和相区大小动态变化。（a，b）S3-S₆B₁₀S₆CNT₈和S3-S₆B₁₀S₆CNT₁₆复合材料在300%应变下，不同CNTs浓度的序参数；（c，d）在0%应变下，S₆B₁₀S₆CNT₈和S₆B₁₀S₆CNT₁₆在选定CNTs浓度下的相区大小的时间演变；（e，f）在300%应变下，S3-S₆B₁₀S₆CNT₈和S3-S₆B₁₀S₆CNT₁₆在特定CNTs浓度下的相区大小的随拉伸程度的变化。

此外，研究还通过图论分析方法分析揭示了CNT形成的导电网络的拓扑结构（图4a-4d）。将CNT作为节点，其连接作为边，量化了CNT的聚集模式和网络连通性（图4e）。结果表明，合适的增加CNT浓度和拉伸应变条件可优化网络结构，增加链状模体数量（图4f），从而提升纳米复合材料的电导率，为材料的设计和优化提供了新的思路。

图4 S₆B₁₀S₆CNT₈纳米复合材料中CNTs的图论分析结果。（a）CNTs浓度为10%时S₆B₁₀S₆CNT₈体系中CNTs的连通分量；（b）CNTs浓度12%时S₆B₁₀S₆CNT₈体系中CNTs的连通分量；（c）300%应变下，10% CNTs浓度的S3-S₆B₁₀S₆CNT₈体系中CNTs的连通分量；（d）300%应变下，12% CNTs浓度的S3-S₆B₁₀S₆CNT₈体系中CNTs的连通分量；（e）上述四个不同体系中五个网络参数（平均度、连通分量、聚类系数、全局效率、网络密度）的对比；（f）上述四个不同体系中链状（1, 2, 4）和簇状（3, 5, 6）模体数量的对比。

该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。大连民族大学刘少龙研究生是该论文的第一作者，大连民族大学曹保胜教授、赵英副教授和吉林大学朱有亮研究员为共同通信联系人。

原文信息：

Liu, S. L.; Sui, T.; Xu, S.; Xu, X. K.; Milano, G.; Zhao, Y.; Zhu, Y. L.; Cao, B. S.

Chinese J. Polym. Sci., 2025, 43, 517–532.

DOI: 10.1007/s10118-025-3295-9