高效導熱柔性納米纖維素複合薄膜
如今，隨著攜帶型電子設備的快速發展，導熱薄膜被廣泛應用於各個方面。高分子複合材料以其質輕等優異的性能成為電子設備中橫向散熱材料的理想選擇。然而，如何製備出高效導熱的高分子複合材料仍是一個亟待解決的問題。
最近，上海大學納米科學與技術研究中心丁鵬研究員團隊的碩導宋娜、學生焦德金以及在讀博士生崔思奇利用真空輔助自組裝（VASA）的方法製備了具有高度取向層狀結構的石墨烯-納米纖維素複合薄膜，在自然力驅動下，高度結晶且擁有優異力學性能的一維納米纖維可以在石墨烯片層周圍形成連續的網路結構，利於導熱通路的形成，並藉助有效介質理論（EMA）方法分析得到出石墨烯的取向排列是提高複合材料導熱性能的關鍵（圖1，J. Mater. Chem.C, 2016,4, 305--314）；通過改變石墨烯的缺陷，發現少缺陷石墨烯複合薄膜的導熱率明顯高於高缺陷石墨烯複合薄膜（圖2，Carbon, 2017, 115，338-346），並實現了石墨烯缺陷的定性定量表徵。此外，利用高效可控的層層組裝（LBL）法製備了具有較高面內導熱係數和導熱各向異性的複合薄膜，在石墨烯含量僅為0.9wt%時，複合薄膜的面內導熱係數達到12.48 W·m-1·K-1，各向異性係數達到了279（圖3，ACS Appl. Mater. Interfaces,2017, 9, 2924−2932）。
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▲ 圖1. VASA法製備複合薄膜，EMA方法計算石墨烯片層取向程度對理論導熱的影響
▲ 圖2. 石墨烯缺陷程度的表徵，缺陷密度與複合薄膜導熱性能的關係
▲ 圖3. LBL法製備複合薄膜，複合薄膜的導熱性能
納米金剛石優異的力學性能、較高的導熱係數及電絕緣的特性為導熱複合材料的研究帶來了新的機遇，作為一種連續的基體，納米纖維素可以使納米金剛石得到均勻地分散，並沿平面方向產生取向分佈，形成規整的層狀結構。納米纖維素-納米金剛石複合薄膜表現出優異的導熱性能。在僅添加0.5wt% ND的情況下，複合薄膜在in-plane方向的導熱率達9.82 W·m-1·K-1，與純NFC薄膜相比提升了775%，同時表現出了明顯的各向異性。與石墨烯填料不同的是，添迦納米金剛石后的複合薄膜不僅有良好的導熱和力學性能，還具有很好的透明性，大大擴寬了該複合薄膜的應用領域。並且，通過對納米金剛石添加量的控制可以達到對其導熱性能和透明性進行調控的能力（圖4，ACS Appl. Mater. Interfaces,2017, 9 (46), 40766–40773）。
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▲ 圖4. 柔性納米纖維素-納米金剛石複合薄膜的導熱性能以及透明性研究
該系列研究工作，通過簡單的製備以及填料的調節即可得到具有優良導熱性能和力學性能的柔性複合薄膜，對導熱複合薄膜的開發有著啟示作用。該工作得到國家自然科學基金（51703122）、上海市自然基金探索類（No. 17ZR1440700）、上海市優秀學術/技術帶頭人計劃（17XD1424400）、中石油科技創新項目（2016D-5007-0508）的資助。
參考文獻：
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
來源：高分子科學前沿 微信公眾號
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