基于环氧反应诱导相分离无溶剂化制备导热环氧复材的研究

Improving thermal transport is important for many technologies including nanoelectronics, solid-state lighting and energy generation. The effective formation of thermally conductive network is often become the heat transport bottlenecks. For the epoxy /thermoplastics composites with thermal conductive fillers, reaction-induced phase separation affects the phase separation process, filler distribution and dispersion. In this study, epoxy /thermoplastics will be used as the base polymers. These composites will be fabricated without solvent, and the factors affecting phase separation and filler distribution will be fully studied. It is expected to identify the influence mechanism of filler dispersion and distribution on thermal conductivity based on the understanding of the microstructure and interchain interactions. The effect of those factors on the formation of thermally conductive path and conductive efficiency will be observed. Finally the desired structure could be obtained by controlling the thermodynamics and dynamics of reaction-induced phase separation. The modified fillers could be selectively located in the thermoplastics to form network by phase inversion, resulting in efficient use of fillers and improvement in thermal conductivity of epoxy composites. This will also provide a new idea for effective fabrication of thermally conductive polymer composites based on the reaction-induced phase separation.

热传导的提高对很多技术领域包括纳米电子，固态照明和能源生产等是非常重要的，而高效形成导热网络则常常成为热传导的瓶颈。对于含有导热填料的热塑性树脂改性环氧体系中，反应诱导相分离对体系相区演化、填料的分布和分散产生重要影响。本课题拟以环氧/热塑性树脂为高分子基体相，采用无溶剂的制备方法对体系添加导热填料后相分离过程和填料分布演化影响因素等开展深入研究。期望在透彻理解环氧/热塑性树脂体系材料微结构和相互作用因素的基础上，探明该复合体系的反应诱导相分离机理，研究不同影响因素对导热填料网络的形成、稳定性及传输效率的影响。最终通过控制反应诱导相分离的热力学、动力学等因素把所需要的相结构冻结，使合适改性的导热填料在反应诱导相分离过程中选择性分散在热塑性树脂中，并借助其相反转形成网络结构，以实现导热填料的高效利用和环氧复合材料导热性能的提高。这也为其它反应诱导相分离体系的导热改性提供一种新思路。

热传导的提高对很多技术领域包括纳米电子、固态照明和能源生产等是非常重要的，而高效形成导热网络则常常成为热传导的瓶颈。对于含有导热填料的热塑性树脂改性环氧体系中，反应诱导相分离（RIPS）对体系相区演化、填料的分布和分散产生重要影响。本项目以环氧（EP）/热塑性树脂聚醚砜（PES）为高分子基体相，采用无溶剂的制备方法对分别添加碳基导热填料（GNPs）和氮化硼（BN）导热填料两种体系的填料分布演化对导热性能等的影响开展研究。. 研究结果显示，EP/PES/10 wt% GNPs的导热系数达到了0.71 W/mK，相比于EP/10 wt% GNPs提高了52%，是纯环氧样品的3倍多。通过理论计算得到EP/PES/GNPs混合体系浸润系数（ωa）的值在-1 ~ 1之间，理论上预测GNPs会选择性分布在两相界面处。实验结果显示，由于热固性的EP相会逐渐固化交联形成密闭结构且两相界面空间有限，当GNPs含量过高时，过剩的GNPs只能渗透到热塑性的PES相，最终表现为GNPs分布在两相界面以及PES相中，进而促使填料的选择性分布及填料网络结构的形成。. 对添加BN的EP/PES体系，BN在环氧固化诱导相分离时也能获得选择性分布。同时，利用三辊混合（TRM）增强了BN在共混物中的分散效果，大幅降低填料的团聚现象，填料网络结构更加显著。10 wt%BN填充下三辊混合制备的样品EP/PES/BN-TRM复合材料热导率达到了0.52 W/mK，比纯环氧高160%。相对于BN随机分布的EP/BN，热导率提升了40.5%。此外，在同等BN填充量下，EP/PES/BN-TRM相对于EP/PES/BN拥有更加优异的热稳定性和冲击强度。通过导热模型计算分析填料的长径比与热导率的关系，证实了三辊混合在改善填料分散方面的有效性。复合材料同时保持较低介电常数和介电损耗，电阻率仍保持在较高水平，保证了材料在绝缘领域的良好应用前景。