通過外場輔助的方法在高分子基體內構筑有序納米結構是在高分子特定方向上實現特殊功能的有效途徑，常見的方法有電場取向、磁場取向、剪切取向等。相比于剪切場，電場和磁場的施加方向較容易控制，可以制備各個方向的各向異性復合材料，尤其是在制備垂直于薄膜平面方向的取向材料方面具有明顯優勢，這也使得通過電場和磁場誘導粒子取向成為最具吸引力和應用潛力的研究方向。納米粒子引入聚合物基體中在外場下可制備具有特殊介電、光學性能的納米復合膜。該類納米復合材料結合了聚合物良好的絕緣性質和納米粒子的高介電常數，既具備較高的儲能能力，也擁有高分子柔韌性特質，納米粒子所形成特殊結構也賦予該類復合材料具有特殊的光學、熱學性質，可廣泛應用于可穿戴、智能化的新型柔性超級電容器、傳感器等領域，同時滿足高儲能、低成本、小型輕量化、安全可靠等一系列因電子元件集成度提高而對高介電薄膜所提出的新要求。
近日，青島科技大學張建明、陳玉偉等利用電場取向的技術制備了纖維素微纖在膜厚度方向（“Z”方向）取向排列的柔性高分子復合膜材料。膜內取向結構的存在可以使材料的介電性能得到較大提升的同時賦予了材料光學上的各向異性。該復合膜的制備流程簡介如下：
通過過硫酸銨法和銀鏡反應制得表面鍍銀的微米級纖維素（SFCs），如圖1所示。SFCs與PDMS預聚體混合后利用外加電場控制粒子取向排列，隨后通過熱固化將這種取向結構固定于復合膜中，制得內部具有取向結構的復合材料。
圖1. “Z”方向取向的SFCs/PDMS復合膜的制備過程示意圖。
經電場制備的SFCs/PDMS復合膜中由于SFCs在“Z”方向的有序排列，能夠使材料的介電常數得到明顯提升，如圖2(c)所示，當SFCs含量為10 wt%時，電場取向制得的復合膜的介電常數為38.59（10-2Hz），而未經電場取向制得的復合膜的介電常數僅為10.8，提高了3.6倍。SFCs在復合膜中沿“Z”方向取向排列后能夠使復合膜顯示出光學上的各向異性，取向所形成的光線通路能夠較大程度的通過垂直照射于復合膜表面的光線，對其它角度光線有阻隔作用。在高敏感觸摸防窺保護膜等領域具有潛在的應用價值。
圖2. (a) 柔性SFCs/PDMS復合膜示意圖：(b) 取向后SFCs/PDMS復合膜斷面掃描；(c) 經電場未經電場制備的SFCs/PDMS復合材料在不同SFCs含量下介電常數隨頻率的變化曲線；(d) SFCs/PDMS復合材料的光線入射角與透光率之間的關系。
該課題為國家自然科學基金委資助課題，本項工作主要由青島科技大學青年教師陳玉偉和碩士生劉玉紅完成，通訊作者為青島科技大學陳玉偉老師、張建明教授、特拉華大學Kun Fu教授。相關成果近日以“Electric Field-Induced Assembly and Alignment of Silver-Coated Cellulose for Polymer Composite Films with Enhanced Dielectric Permittivity and Anisotropic Light Transmission”為題于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發表封面文章(DOI: 10.1021/acsami.0c03086)。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c03086
