微米和纳米科技材料

高效导热柔性纳米纤维素复合薄膜

如今,随着便携式电子设备的快速发展,导热薄膜被广泛应用于各个方面。高分子复合材料以其质轻等优异的性能成为电子设备中横向散热材料的理想选择。然而,如何制备出高效导热的高分子复合材料仍是一个亟待解决的问题。

最近,上海大学纳米科学与技术研究中心丁鹏研究员团队的硕导宋娜、学生焦德金以及在读博士生崔思奇利用真空辅助自组装(VASA)的方法制备了具有高度取向层状结构的石墨烯-纳米纤维素复合薄膜,在自然力驱动下,高度结晶且拥有优异力学性能的一维纳米纤维可以在石墨烯片层周围形成连续的网络结构,利于导热通路的形成,并借助有效介质理论(EMA)方法分析得到出石墨烯的取向排列是提高复合材料导热性能的关键(图1,J. Mater. Chem.C, 2016,4, 305–314);通过改变石墨烯的缺陷,发现少缺陷石墨烯复合薄膜的导热率明显高于高缺陷石墨烯复合薄膜(图2,Carbon, 2017, 115,338-346),并实现了石墨烯缺陷的定性定量表征。此外,利用高效可控的层层组装(LBL)法制备了具有较高面内导热系数和导热各向异性的复合薄膜,在石墨烯含量仅为0.9wt%时,复合薄膜的面内导热系数达到12.48 W·m-1·K-1,各向异性系数达到了279(图3,ACS Appl. Mater. Interfaces,2017, 9, 2924−2932)。

高效导热柔性纳米纤维素复合薄膜

▲ 图1. VASA法制备复合薄膜,EMA方法计算石墨烯片层取向程度对理论导热的影响

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▲ 图2. 石墨烯缺陷程度的表征,缺陷密度与复合薄膜导热性能的关系

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▲ 图3. LBL法制备复合薄膜,复合薄膜的导热性能

纳米金刚石优异的力学性能、较高的导热系数及电绝缘的特性为导热复合材料的研究带来了新的机遇,作为一种连续的基体,纳米纤维素可以使纳米金刚石得到均匀地分散,并沿平面方向产生取向分布,形成规整的层状结构。纳米纤维素-纳米金刚石复合薄膜表现出优异的导热性能。在仅添加0.5wt% ND的情况下,复合薄膜在in-plane方向的导热率达9.82 W·m-1·K-1,与纯NFC薄膜相比提升了775%,同时表现出了明显的各向异性。与石墨烯填料不同的是,添加纳米金刚石后的复合薄膜不仅有良好的导热和力学性能,还具有很好的透明性,大大扩宽了该复合薄膜的应用领域。并且,通过对纳米金刚石添加量的控制可以达到对其导热性能和透明性进行调控的能力(图4,ACS Appl. Mater. Interfaces,2017, 9 (46), 40766–40773)。

高效导热柔性纳米纤维素复合薄膜

▲ 图4. 柔性纳米纤维素-纳米金刚石复合薄膜的导热性能以及透明性研究

该系列研究工作,通过简单的制备以及填料的调节即可得到具有优良导热性能和力学性能的柔性复合薄膜,对导热复合薄膜的开发有着启示作用。该工作得到国家自然科学基金(51703122)、上海市自然基金探索类(No. 17ZR1440700)、上海市优秀学术/技术带头人计划(17XD1424400)、中石油科技创新项目(2016D-5007-0508)的资助。

参考文献:

Na Song, Siqi Cui (共同一作), Xingshuang Hou, Peng Ding and LiyiShi. Significant enhancement of thermal conductivity in nanofibrillatedcellulose films filled with nanodiamond. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(46), 40766–40773

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来源:高分子科学前沿 微信公众号

投稿 荐稿 合作:editor@polysci.cn

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