上海工程技术大学宋仕强团队 CEJ: 仿生结构用于构建高导热、抑烟减毒和智能损伤检测的多功能聚合物复合材料

2023-08-22 来源：高分子科技

聚合物基热管理复合材料为电子器件的热管理提供了重要保障，但器件经常处于极端的热环境中并屡遭短暂的热冲击，从而极大地影响了微电子器件的可靠性和安全性，并且一旦燃烧往往伴随着爆炸以及烟雾的大量释放，威胁生命财产安全。目前，绝大多数本征聚合物通常表现出较低的导热率，从而导致潜在的火灾安全问题，如何制备兼具导热和阻燃、抑烟的聚合物热管理复合材料是一项重要挑战。

鉴于此，上海工程技术大学宋仕强副教授团队受蜘蛛网结构的启发，采用3D打印模板法构筑了仿蜘蛛网结构的三维PDMS骨架，通过吸附组装过渡态金属碳氮化合物(MXene)和二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMPA)配位钴离子螯合物，构建了一种3D互连仿蜘蛛网状结构的聚合物复合材料，其中纳米尺度的MXene、分子级DTPMPA和原子级钴离子，构成了多层多尺度的3D填料网络，同时实现了复合材料高导热和优异火灾安全性能。

图1. PDMS复合材料设计原理及制备过程

实验研究表明，复合材料内部的蛛网结构和高导热的MXene为聚合物的热传导提供了一条快速通道。作者对比了填料的分散状态对聚合物导热性能的影响，具有蜘蛛网结构的PDMS复合材料实现了低填料添加下的高平面外导热系数，并将其初步应用到电子器件的热管理领域，表现出优异的热管理性能。

图2. 导热性能测试及对比

此外，作者还对复合材料的火灾安全性进行了一系列表征。与纯PDMS相比，复合材料具有优异的自熄性能和火灾安全，特别是在抑制有毒CO和窒息性 CO₂气体的产生方面，其释放量分别下降了54.1% 和 41.2%，起到优异的“抑烟减毒”的作用。作者通过实验和结构表征对复合材料的阻燃、抑烟机理做了进一步阐释。首先，在火灾产生初期，高导热的MXene不仅提供了热的传到通路，避免局部热量积聚，还发挥气体屏蔽的作用，阻碍空气与聚合物基体进一步接触，防止火焰继续蔓延。其次，在火灾的中后期，DTPMPA 分子作为外保护层，形成焦磷酸，并释放不可燃气体，起到凝聚相和气相阻燃剂的作用，进一步的与MXene 纳米片在高温降解后形成致密的 TiP₂O₇ 层，发挥凝聚相阻燃剂的作用。最后，螯合在 DTPMPA 分子上的 Co 原子也有助于气体吸附和催化成炭的作用。因此，这种多层多尺度的 MXene/DTPMPA@Co 与独特的蛛网形态相结合，为复合材料带来了出色的导热性、低可燃性和烟雾抑制能力。

图3.火灾安全性测试

图4. PDMS复合材料的阻燃、抑烟机理示意图

更为有趣的是，得益于蜘蛛网结构和MXene 的高导电性，复合材料还表现出对基体损伤的智能检测能力。当复合材料受到外力作用产生裂纹时，由于内部裂缝的产生和扩展，其导电性会发生很大变化，因此可用于检测与复合材料结构、功能完整性有关的损伤，这种功能使复合材料具有自检功能，从而确保装置的安全性和稳定性。

图5. 智能损坏检测应用

该工作以“Spiderweb-inspired Fabrication of 3D MXene Hybrid Filler with Multilayer and Multiscale Features for Multifunctional Polydimethylsiloxane Composites”为题发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（影响因子15.1）。上海工程技术大学化学化工学院硕士生唐女凡和李情兰为论文共同第一作者，宋仕强副教授为通讯作者，参与者还包括上海工程技术大学江振林副教授和左志成副教授，五邑大学刘子瑾博士以及上海交通大学张勇教授。该研究获得国家自然科学基金项目的支持，并感谢期刊编辑和审稿人对论文的帮助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723041487?dgcid=author

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻