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川大塑料高性能化加工与装备课题组 ACS Macro Lett.: 高介电常数全纤维素复合薄膜
2023-06-28  来源:高分子科技

  纤维素是一种环保的生物质材料,在自然界中来源广泛。 其分子链中每个重复单元的236位上含有一个自由羟基-OH),在电场的作用下容易发生取向极化,从而赋予纤维素较高的介电常数(εr -OH之间形成的分子间、分内氢键网络也为纤维素带来了优异的物理化学性能,这些优势使得纤维素成为替代石油基电介质材料的候选者。然而,为满足电子设备微型化、轻量化的发展需求纤维素基电介质材料的储能密度需进一步提升。因此,如何提高纤维素基电介质的介电常数以满足电容器的发展需求仍是一个重要问题。


  近日,四川大学黄华东副教授、李忠明教授从聚合物凝聚态结构与构象调控的角度出发,通过改变纤维素溶解温度(-12.5 ℃,-10 ℃,-8 ℃),制备出了再生纤维薄膜(RC-12.5)和全纤维素复合薄膜(RC-10、RC-8)。结果表明,全纤维素复合薄膜(RC-8)在保持较低的损耗因子的同时,其介电常数(εr)远远高于再生纤维素薄膜的εr(图1)。


 图1 不同溶解温度制备的纤维素介电薄膜在室温下的介电常数(a)和介电损耗(b)。


  进一步研究发现,高溶解温度制备的全纤维素复合薄膜同时存在Ⅰ型晶和Ⅱ型晶,其氢键相互作用较弱且具有一定含量的不稳定tg构象(C6)。通过Havriliak?Negami拟合分析,上述结构差异可以明显提高纤维素的β和γ松弛能力,即局部主链和侧基的运动能力增强。


  基于上述结果,作者给出了介电常数提高的潜在机理(图2):溶解温度的提高导致了原生纤维素的不完全溶解以及Ⅰ型晶和Ⅱ型晶的并存,考虑到不同样品具有相似的结晶度,因此推测是不稳定tg构象的存在使得Ⅰ型晶-无定形区界面的运动能力增强,氢键网络发生重排,大大增强了此区域纤维素分子链的βγ松弛能力,进而获得较大的介电常数。
该项工作提出了一种全新的高介电常数纤维素介电薄膜的制备策略,并帮助我们进一步认识了纤维素微观结构与其介电性能之间的关系。 


图2 RC-12.5、RC-10、RC-8样品的结构示意图


  该工作以“Enhanced Dielectric Properties of All-Cellulose Composite Film via Modulating Hydroxymethyl Conformation and Hydrogen Bonding Network”为题发表在ACS Macro Letters上(ACS Macro Lett. 2023, 12, 880?887)。该论文第一作者为四川大学博士生李德龙,通讯作者为四川大学黄华东副教授和李忠明教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。


  此工作也是该团队在环境友好型全有机纤维素基介电薄膜方向(Appl. Phys. Lett. 2021, 119, 022903)的延续性工作。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00224

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(责任编辑:xu)
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