纳米粒子链/高分子绝缘导热复合材料的制备及构效关系研究

Usually, a polymer composite material with good thermal conductive capability requires for high loading fillers of thermal conductive particles as much as to form effective thermal conductive pathway in the polymer matrix, but which may deteriorate the mechanical properties of the material and causes difficulty in processing. In this project, the surface-modified AlN nanoparticles are jointed by the oligomer chain to form flexible nanoparticles (NPs) chains. By blending NPs chains with deliberately designed structure (chain length, NPs space) and properties(flexibility and compatibility) into a epoxy resin matrix, excellent thermal conductive pathways can be build with low percolation threshold, as a result a polymer nancomposite with excellent comprehensive performance is prepared. It is believed, the one-dimensional chain structure of NPs help to construct thermal conducting pathway with low percolation threshold. The interfacial thermal resistance between polymer and NPs can be reduced effectively by surface modification on NPs. Meanwhile, the intertwining between NPs chains and polymer chains will improve the mechanical properties and thermal stability of the composite material. By introducing NPs chains into polymer matrix, this proposal intend to develop a new technology to promote the fabrication filled thermal conductive dielectric polymer nanocomposite material. The relationship between composite’s microstructure and function will be systematically studied to establish a novel thermal conductive model for this thermal conductive dielectric polymer nanocomposite.

高分子绝缘导热复合材料通常需要填充较大份量的导热填料以形成有效的导热通路，但提高导热性的同时却导致材料加工性能和力学性能的降低。本项目选用高导热的纳米氮化铝颗粒，对其进行表面接枝改性后以分子链连接形成柔性的氮化铝纳米粒子链。通过调控纳米粒子链的结构（链长和颗粒间距）和性质（柔性和相容性），在环氧树脂基体中构建高效的导热通路，制备综合性能优异的绝缘导热高分子复合材料。在本项目研究中，纳米粒子的一维链状结构有利于导热通路的建立，降低复合材料的逾渗阈值；纳米粒子的表面改性降低了高分子基体与导热填料颗粒间的界面热阻；同时，纳米粒子链与高分子链的相互缠绕、互穿可以提高复合材料的力学性能和热稳定性。本项目针对制约材料综合性能的技术瓶颈，借鉴最新研究成果发展填充型绝缘导热材料的制备新技术。通过研究纳米粒子链/高分子绝缘导热复合材料的构效关系，建立适用于该体系的导热模型。

高分子绝缘导热复合材料通常需要填充较大份量导热填料以形成有效的导热通路，但提高导热性的同时却导致材料加工性能和力学性能的降低。本项目以点击化学和逐步聚合两种不同反应机理设计合成得到了基本呈链状结构的一维纳米粒子聚合链（纳米TiO2，Si3N4，BN），成功探索了一条适用于多种纳米粒子聚合成柔性链的新途径。该合成方法突破了单一纳米颗粒通过小分子连接或者定向吸引成一维纳米结构的局限性，可实现纳米材料的多功能集成和新功能开发。.利用氮化硅、氮化硼纳米粒子链在高分子基体中构建高效导热通路，显著降低导热逾渗阈值。制备得到的BN纳米链/聚氨酯复合材料当BN添加份量为15%时，导热系数达到0.79W/m•K，比同样添加份量下的BN/PU复合材料提升了35%。建立了纳米粒子链/高分子绝缘导热复合材料的构效关系和导热模型，并研制成功低蓄热的矿用注浆加固材料，100公斤中试模拟注浆试验最高放热温度仅为83℃左右，大大低于国家安全生产行业标准AQ1089-2011中小于140℃的要求，可有效抑制煤体氧化、自燃，提高井下生产安全性。.研究比较了片状氮化硼在单一组分聚合物和共混聚合物中导热网络构建与调控；以CM/EPDM为基体，诱导BN在共混胶的双连续相结构中选择性分布，显著降低复合材料导热逾渗阈值。以CM/EPDM为基体相比于纯EPDM，导热逾渗阈值从30wt%降到20wt%。利用导热网络将热量快速导出的特点，研制成功具有低压缩生热的导热橡胶复合材料，在汽车用胶管制品领域具有重要应用价值。.采用熔融、溶液、粉末共混法研究制备BN/PA6导热复合材料。比较发现，溶液共混制备工艺更有利于BN导热通路的形成，BN在PA6基体中分散均匀且保持良好的取向结构。当BN填充40wt%时，熔融和粉末共混得到的热导率分别为1.13和1.32W/mK，而溶液法混合的热导率达到1.45W/mK，是纯PA6树脂导热系数的3.9倍。.采用计算机模拟方法研究了填充型聚合物复合体系的导热机制。模拟研究了聚合物纳米复合体系的导热状态，通过将传热机制与分子模拟相结合，建立了可以模拟聚合物纳米复合体系导热过程的E-DPD模拟方法。