以碳纳米管和石墨烯为代表的碳基纳米材料,具有优异的电学性能和极高的比表面积,通过与聚合物基底相结合,可获得各类形态丰富(如纤维、薄膜、海绵、分离膜)的柔性电热涂层产品;基于焦耳热原理,其可实现电能和热能之间高效、快速、节能转变,在智能驱动、表面除冰、可穿戴器件、建筑供暖、芯片加热等领域或场合具有潜在应用优势。然而,该类电热涂层由于结构的不均匀性,使用过程易造成局部过高温度,同时碳纳米材料制备过程表面所残留的有机聚合物也使其耐温性能显著下降,以至于造成火灾发生,因而存在不可忽视的使用安全隐患。针对这一问题,浙江工业大学徐立新教授课题组近期研究发现,以超支化聚乙烯为结构基础,通过在碳基电热涂层表面构建超支化双重交联网络结构,不仅可提升涂层的电热性能和使用稳定性,而且可使其耐温性能显著提高,获得兼具高效、稳固、耐热防火等特点的高性能柔性电热涂层。相关工作以Efficient, robust, and flame-retardant electrothermal coatings based on POSS-functionalized graphene/multi-walled carbon nanotube hybrid with dually cross-linking structure为题在线发表于ACS Appl. Mater. Interf.期刊上(DOI:10.1021/acsami.2c18040)。
图1. 兼具高效、稳固、耐热防火等特点的高性能柔性碳基电热涂层
图2. 超支化聚乙烯多元共聚物HBPE@Acryl@POSS的结构组成
图3. 利用HBPE@Acryl@POSS辅助制备石墨烯和碳纳米管分散液
图4. 以PTFE膜为基底的碳基柔性电热涂层制备
图5. 所得电热涂层的电热性能评价
图6. 所得电热涂层的使用稳固性能评价
图7. 所得电热涂层的耐温性能评价
图8. 超支化双重交联结构的表征与分析
图9. 涂层体系分子动力学模拟计算分析
本研究具有如下优点和特色:
其一,充分利用超支化聚合物易于功能化的优势,将UV反应基团和POSS端基同时引入超支化大分子结构中,进一步分别通过UV化学交联和POSS物理交联构建超支化双重交联结构,实现零维的POSS纳米颗粒、一维碳纳米管和二维石墨烯有机紧密结合。
其三,借助所述超支化聚合物的多功能属性,可实现碳基纳米材料制备、表面修饰和后续应用有机结合,使电热涂层制备路线简单、完整、可控,有利于后续规模化应用。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18040
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