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上海工程技術大學宋仕強團隊 CEJ: 仿生結構用于構建高導熱、抑煙減毒和智能損傷檢測的多功能聚合物復合材料

2023-08-22 來源：高分子科技

聚合物基熱管理復合材料為電子器件的熱管理提供了重要保障，但器件經常處于極端的熱環境中并屢遭短暫的熱沖擊，從而極大地影響了微電子器件的可靠性和安全性，并且一旦燃燒往往伴隨著爆炸以及煙霧的大量釋放，威脅生命財產安全。目前，絕大多數本征聚合物通常表現出較低的導熱率，從而導致潛在的火災安全問題，如何制備兼具導熱和阻燃、抑煙的聚合物熱管理復合材料是一項重要挑戰。

鑒于此，上海工程技術大學宋仕強副教授團隊受蜘蛛網結構的啟發，采用3D打印模板法構筑了仿蜘蛛網結構的三維PDMS骨架，通過吸附組裝過渡態金屬碳氮化合物(MXene)和二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMPA)配位鈷離子螯合物，構建了一種3D互連仿蜘蛛網狀結構的聚合物復合材料，其中納米尺度的MXene、分子級DTPMPA和原子級鈷離子，構成了多層多尺度的3D填料網絡，同時實現了復合材料高導熱和優異火災安全性能。

圖1. PDMS復合材料設計原理及制備過程

實驗研究表明，復合材料內部的蛛網結構和高導熱的MXene為聚合物的熱傳導提供了一條快速通道。作者對比了填料的分散狀態對聚合物導熱性能的影響，具有蜘蛛網結構的PDMS復合材料實現了低填料添加下的高平面外導熱系數，并將其初步應用到電子器件的熱管理領域，表現出優異的熱管理性能。

圖2. 導熱性能測試及對比

此外，作者還對復合材料的火災安全性進行了一系列表征。與純PDMS相比，復合材料具有優異的自熄性能和火災安全，特別是在抑制有毒CO和窒息性 CO₂氣體的產生方面，其釋放量分別下降了54.1% 和 41.2%，起到優異的“抑煙減毒”的作用。作者通過實驗和結構表征對復合材料的阻燃、抑煙機理做了進一步闡釋。首先，在火災產生初期，高導熱的MXene不僅提供了熱的傳到通路，避免局部熱量積聚，還發揮氣體屏蔽的作用，阻礙空氣與聚合物基體進一步接觸，防止火焰繼續蔓延。其次，在火災的中后期，DTPMPA 分子作為外保護層，形成焦磷酸，并釋放不可燃氣體，起到凝聚相和氣相阻燃劑的作用，進一步的與MXene 納米片在高溫降解后形成致密的 TiP₂O₇ 層，發揮凝聚相阻燃劑的作用。最后，螯合在 DTPMPA 分子上的 Co 原子也有助于氣體吸附和催化成炭的作用。因此，這種多層多尺度的 MXene/DTPMPA@Co 與獨特的蛛網形態相結合，為復合材料帶來了出色的導熱性、低可燃性和煙霧抑制能力。

圖3.火災安全性測試

圖4. PDMS復合材料的阻燃、抑煙機理示意圖

更為有趣的是，得益于蜘蛛網結構和MXene 的高導電性，復合材料還表現出對基體損傷的智能檢測能力。當復合材料受到外力作用產生裂紋時，由于內部裂縫的產生和擴展，其導電性會發生很大變化，因此可用于檢測與復合材料結構、功能完整性有關的損傷，這種功能使復合材料具有自檢功能，從而確保裝置的安全性和穩定性。

圖5. 智能損壞檢測應用

該工作以“Spiderweb-inspired Fabrication of 3D MXene Hybrid Filler with Multilayer and Multiscale Features for Multifunctional Polydimethylsiloxane Composites”為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（影響因子15.1）。上海工程技術大學化學化工學院碩士生唐女凡和李情蘭為論文共同第一作者，宋仕強副教授為通訊作者，參與者還包括上海工程技術大學江振林副教授和左志成副教授，五邑大學劉子瑾博士以及上海交通大學張勇教授。該研究獲得國家自然科學基金項目的支持，并感謝期刊編輯和審稿人對論文的幫助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723041487?dgcid=author

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（責任編輯：xu）

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