官能化纤维素纳米晶剥离氮化硼及其聚酰亚胺纳米复合材料

Polyimide (PI) is the key materials to prepare insulate film in flexible printed circuit board (FPCB), but poor thermal conductivity of PI limits its application. Interface design is a crucial factor for developing high thermal conductivity of PI/boron nitride nanosheets (BNNS) composites. However, an effective method to obtain exfoliated BNNS is required to enable their use for preparing isolated composites with high thermal conductivity. Moreover, the interfacial construction between BNNS and PI need to be optimized for utilizing BNNS nanostructure more fully. Herein, functionalized CNC (f-CNC) was used to exfoliate BN by Lewis acid-base interactions. The resulting f-CNC-BNNS hybrids introduced into PI matrix for the preparation of PI/f-CNC-BNNS nanocomposites. The modulating functional groups and covering ratios of f-CNC around BNNS to improve the bonding strength and modulus matching between f-CNC-BNNS and PI that can further modulate PI/BNNS thermal transfer interfaces to improve thermal conductivity of composites. The highlights of this article are constructing optimum thermal transfer interfaces that can significantly reduce the effect of interfacial phonon scattering for preparation of high performance PI-based composites with high thermal conductivity.

聚酰亚胺(PI)是柔性印制电路板中绝缘基膜的关键材料，它的导热性差是限制其应用的关键因素。氮化硼纳米片(BNNS)填充被认为是同时提升聚合物热稳定性和导热能力的有效途径，但目前缺乏有效手段实现BNNS的高效剥离。另一方面，如何有效抑制复合材料两相模量失配也是高导热电绝缘复合材料的难题。本项目拟采用官能化的纤维素纳米晶(f-CNC)辅助剥离BN，并通过f-CNC的包覆作用稳定分散BNNS，然后与PI复合制备PI/BNNS复合材料。研究f-CNC用量和官能团类型对BNNS剥离产率和分散稳定性的影响规律，探讨f-CNC包覆量和官能团类型与BNNS在PI中的分散均匀性、复合材料热导率、热稳定性和力学性能的关系。项目的创新点在于建立高效剥离、稳定分散BNNS的途径，并在复合材料中构筑粘接强度高、模量匹配的传热界面，以有效地降低界面间的声子散射，建立一种制备高导热PI/BNNS复合材料的方法。

纤维素纳米晶价廉易得、结晶度高，且具有良好的水分散性、生物相容性、热稳定性及优异的力学性能，有望与导热填料复合制备高性能的热界面材料。本研究采用纤维素纳米晶有效改善导热填料(石墨烯纳米片、氮化硼纳米片、银纳米线)与基体间的界面相互作用和分散性以提高复合体系的导热性能及力学性能。此外，利用纤维素纳米晶的液晶结构作为有序模板促进填料取向分布，形成连续导热网络，进一步提高复合材料的导热性能。本项的主要工作如下： .(1) 利用纤维素纳米晶(CNC)与还原氧化石墨烯(RGO)间的氢键和疏水相互作用，制备了CNC-RGO杂化填料，然后与聚环氧乙烷(PEO)进行复合制得PEO/CNC-RGO复合材料。其中，CNC增强RGO在PEO中的分散性，强化RGO和PEO间界面相互作用，使其复合材料的力学性能和导热性能得到显著提高。当CNC-RGO填充15 wt%时，复合材料的拉伸强度、杨氏模量和热导率分别增加了90.1%、185.1% 和152.4 %。.(2) 采用羧酸化的CNC作为有序基体，环氧树脂(AA)作为界面贴接剂，RGO为导热填料，通过溶剂挥发诱导自组装成膜技术，制备了结构有序的CNC/AA/RGO复合材料，研究了填料种类、含量及有序度对复合材料导热和力学性能的影响。羧基化的CNC提高了RGO的溶剂分散性并协同导热填料形成取向结构。AA的引入增强了填料与基体间的界面作用，有效提高了复合材料的导热和力学性能。当RGO填充量为7.3 wt%时，复合材料的热导率和拉伸强度分别提升至20.6 W/mK和116.5 MPa。.(3) 基于CNC的有序模板作用及AA的交联反应，通过CNC与氨基化BNNS间存在强相互作用，采用溶剂挥发成膜工艺，制备了结构有序的CNC/AA/BNNS复合材料。其中，CNC与BNNS间的氢键和疏水相互作用实现了BNNS在水中的稳定分散，AA与氨基化BNNS间的共价交联进一步增强了填料-基体间的界面作用，构筑了类珠母贝的“砖-泥”结构。制得复合材料的导热、力学及介电性能得到显著提升，当BNNS填充量为11.6 vol%时，其面内导热系数、拉伸强度及介电常数分别为10.9 W/mK、197.3 MPa、6.1。