透明、高热导系数、超拉伸石墨烯/聚乙烯复合薄膜横空出世
录入日期:2019-8-29
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  热管理(Thermal Management)对包括太阳能电池、发光二极管(LED)和芯片在内的各种电子器件的寿命和性能尤为重要。近年来,利用导热材料进行有效的热管理已成为一项重要的技术。随着智能玻璃等一系列新型产品的崛起,具有高可见光透过率的新型高导热材料受到了广泛关注。一般而言,导热材料包括金属、陶瓷、碳材料和聚合物复合材料。与其他导热材料相比,聚合物复合材料由于其密度低、易加工、电阻率高、耐腐蚀等特点,受到了广泛的研究。通常,纯聚合物的导热系数较低,常需要填充高热导系数填料增强其导热性能,但由于填料和基体之间的存在较高的热界面电阻,复合材料的热导系数常被限制在一个较小的数值范围内(<10 W m−1 K−1)。此外,由于填料对可见光具有很强的散射或吸收能力,高填充量的导热聚合物复合材料通常是不透明的。研究者常采用固态拉伸手段使聚合物分子链高度取向,有利于导热网络的形成,但在拉伸过程中,填料与基体的界面处将会产生缺陷和裂纹,导致复合薄膜透明度不佳,热导系数下降。因此,制备具有高导热性、无缺陷的透明超拉伸聚合物复合薄膜仍然是一项重大挑战。
  基于此背景,近日,英国伦敦大学的Cees W. M. Bastiaansen教授联合荷兰埃因霍温理工大学的Albertus P. H. J. Schenning教授在国际著名刊物《Advanced Materials》上发表了名为“Transparent, High-Thermal-Conductivity Ultradrawn Polyethylene/Graphene Nanocomposite Films”的论文。研究者在传统的石墨烯/聚乙烯复合薄膜中引入第二填料组分(2-(2H-苯并噻唑-2-基)-4,6-二戊基苯酚,BZT),降低复合薄膜对可见光的散射,增强其透明性,如图1所示。此外,BZT可通过与石墨烯的π-π相互作用减少微小缺陷的存在,提高其在基体中分散。研究者还通过控制不同拉伸比的固态拉伸方式提升薄膜的取向,有利于建立热传递网络,如图2所示。结果表明,当填充2 wt% BZT, 0.1 wt%石墨烯,体系拉伸比为100%时,复合薄膜的各项综合性能最优,最值得注意的是B2G1的可见光透过率超过90%,热导系数高达75 W m−1 K−1,超越了常用的金属材料与聚乙烯纤维,如图3所示。

 

 

图1. 薄膜的紫外-可见光透过光谱.

图2. 三种超拉伸薄膜内部结构示意图.

 

 

图3. (a) 薄膜热导系数随拉伸比的变化图;(b) 不同体系的性能对比图.


  该研究工作通过引入BZT作为第二填料,结合固态拉伸的加工手段,得到了具有高可见光透过率,高热导系数的复合薄膜,有望应用于未来智能窗户等领域,同时为制备高性能导热材料提供了思路与启示。
  全文链接:
  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904348
  文章来源:高分子科学前沿


 
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