近年來，隨著高度集成和小型化電子器件的發展，聚合物基導熱復合材料可以消散操作過程中電氣元件產生的熱量，同時具有易加工、質輕、化學穩定性好等優點。然而，聚合物基體本身導熱性能較差，這將嚴重限制其在高產熱設備中的應用。提高聚合物導熱能力最簡單可行的方法是添加導熱填料，但單一填料對其含量要求過高，這勢必會對復合材料在加工和性能方面產生消極影響。混合多維的填料網絡構建，可以很好的解決這一難題，實現在較低填料含量下復合材料導熱性能的大幅提升，然而，我們必須思考出有效的對策來確保填料與基體間較強的界面結合，及其在聚合物中較好的分散。
鄭州大學橡塑模具國家工程中心申長雨院士和劉春太教授團隊的劉憲虎博士課題組利用高密度聚乙烯接枝馬來酸酐作（HDPE-g-MAH）為基體（HDPE）改性劑，通過簡單熔融共混氮化硼（BN）和羥基化多壁碳納米管(MWCNTs)，成功制備出三元復合材料（MHDPE/BN/MWCNTs），其具有優異的導熱性能，機械性能，熱性能和有效的電磁屏蔽性能等，并發現了復合材料中導熱性能與流變性能之間的線性關系。工作以“Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network”為題發表在在國際復合材料Top期刊Composites Science and Technology上。
為了表明HDPE-g-MAH對HDPE基體的成功改性，以及填料與基體間較強的界面結合和均勻的分散狀態，他們利用TEM和FTIR對復合材料進行表征，結果表明HDPE-g-MAH對基體改性是成功的，填料在基體中分散均勻，同時，借助加工的高溫條件，填料表面的極性基團（羥基，氨基）可與馬來酸酐熱降解產生的羧基進行酯化反應，進而增強界面結合力。
圖1. 聚乙烯接枝馬來酸酐改性復合材料的TEM圖（3wt% MWCNTs）：(a) 0 wt%, (b) 10 wt% 和 (c) 30wt% BN, (d, e, f) 選區放大圖。
圖2. HDPE基體、填料和復合材料的FTIR光譜。
復合材料導熱性能測試結果表明：三元復合材料由于其內部填料之間的協同作用而具有較高的導熱系數，當BN和MWCNTs含量為30 wt% 和3 wt% 時，導熱率為1.54 W.m-1K-1，相比于基體高262%。
圖3. BN含量對復合材料 (a) 導熱系數和 (b) 熱增強因子的影響，(c) 復合材料表面溫度隨時間的變化情況，(d) 復合材料平面內傳熱的紅外實時熱成像；(e) 導熱機理圖。
流變結果表明，與二元復合材料相比，三元復合材料隨著MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成網絡結構，因此儲能模量的平臺區域在低頻區更為明顯。同時觀察到在單相基體復合材料中，儲能模量平臺對應Log數值與導熱系數有明顯的正相關線性關系，但其斜率受MWCNTs含量影響較大。
圖4. 復合材料流變性能與導熱性能的關系：(a) 儲能模量，(b) 復合材料導熱系數對比, (c) 復合材料的儲能模量平臺Log值與導熱系數的關系, (d) 圖(c)中斜率與MWCNTs含量的關系。
鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心的碩士研究生馮明杰是該論文的第一作者，通訊作者為劉憲虎博士。該研究得到了國家自然科學基金(51803190)、資源材料協同創新中心開放基金(Zycl202004)和國家重點研發計劃(2019YFA0706802)的資金支持。
原文鏈接：M. Feng#, Y. Pan#, M. Zhang, Q. Gao, C. Liu, C. Shen, X. Liu*, Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network, Composites Science and Technology, 2021, 206, 108666.
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108666
