通过外场辅助的方法在高分子基体内构筑有序纳米结构是在高分子特定方向上实现特殊功能的有效途径，常见的方法有电场取向、磁场取向、剪切取向等。相比于剪切场，电场和磁场的施加方向较容易控制，可以制备各个方向的各向异性复合材料，尤其是在制备垂直于薄膜平面方向的取向材料方面具有明显优势，这也使得通过电场和磁场诱导粒子取向成为最具吸引力和应用潜力的研究方向。纳米粒子引入聚合物基体中在外场下可制备具有特殊介电、光学性能的纳米复合膜。该类纳米复合材料结合了聚合物良好的绝缘性质和纳米粒子的高介电常数，既具备较高的储能能力，也拥有高分子柔韧性特质，纳米粒子所形成特殊结构也赋予该类复合材料具有特殊的光学、热学性质，可广泛应用于可穿戴、智能化的新型柔性超级电容器、传感器等领域，同时满足高储能、低成本、小型轻量化、安全可靠等一系列因电子元件集成度提高而对高介电薄膜所提出的新要求。
近日，青岛科技大学张建明、陈玉伟等利用电场取向的技术制备了纤维素微纤在膜厚度方向（“Z”方向）取向排列的柔性高分子复合膜材料。膜内取向结构的存在可以使材料的介电性能得到较大提升的同时赋予了材料光学上的各向异性。该复合膜的制备流程简介如下：
通过过硫酸铵法和银镜反应制得表面镀银的微米级纤维素（SFCs），如图1所示。SFCs与PDMS预聚体混合后利用外加电场控制粒子取向排列，随后通过热固化将这种取向结构固定于复合膜中，制得内部具有取向结构的复合材料。
图1. “Z”方向取向的SFCs/PDMS复合膜的制备过程示意图。
经电场制备的SFCs/PDMS复合膜中由于SFCs在“Z”方向的有序排列，能够使材料的介电常数得到明显提升，如图2(c)所示，当SFCs含量为10 wt%时，电场取向制得的复合膜的介电常数为38.59（10-2Hz），而未经电场取向制得的复合膜的介电常数仅为10.8，提高了3.6倍。SFCs在复合膜中沿“Z”方向取向排列后能够使复合膜显示出光学上的各向异性，取向所形成的光线通路能够较大程度的通过垂直照射于复合膜表面的光线，对其它角度光线有阻隔作用。在高敏感触摸防窥保护膜等领域具有潜在的应用价值。
图2. (a) 柔性SFCs/PDMS复合膜示意图：(b) 取向后SFCs/PDMS复合膜断面扫描；(c) 经电场未经电场制备的SFCs/PDMS复合材料在不同SFCs含量下介电常数随频率的变化曲线；(d) SFCs/PDMS复合材料的光线入射角与透光率之间的关系。
该课题为国家自然科学基金委资助课题，本项工作主要由青岛科技大学青年教师陈玉伟和硕士生刘玉红完成，通讯作者为青岛科技大学陈玉伟老师、张建明教授、特拉华大学Kun Fu教授。相关成果近日以“Electric Field-Induced Assembly and Alignment of Silver-Coated Cellulose for Polymer Composite Films with Enhanced Dielectric Permittivity and Anisotropic Light Transmission”为题于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上发表封面文章(DOI: 10.1021/acsami.0c03086)。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c03086
