多巴胺改性导热填料/高分子复合材料界面热阻的研究

Interfacial thermal resistance is one of the major factors that have great influence in the heat transfer process of thermal conductive filler/polymer composites. Surface modifications of the thermal conductive filler to enhance the interfacial interactions have been proved to be effective to reduce the interfacial thermal resistance. Because of its inherent limitation, most traditional methods only consider the interfacial interactions between modifier and polymer, thus ignore the influence of the modifier’s structure and the interfacial interactions between modifier and filler. In this project, the surface modification of thermal conductive filler by dopamine will construct a effective interfacial structure to reduce the interfacial thermal resistance. Dopamine can self polymerized at the surface of many materials to give polydopamine,which has well conjugated structure that is beneficial for heat transfer. The thickness of polydopamine is controllable and the existence of many active groups in the surface of polydopamine is favorable of the interfacial interactions with the host materials. All of these have provided good conditions for systemical investigation of the three parts of the interfacial structures on the interfacial thermal resistance. Multi-walled carbon nanotubes(MWCNT) and epoxy resin are choosed as the model materials. The influence of interfacial structure between polydopamine and MWCNT, interfacial structure between polydopamine and epoxy resin, the thickness of polydopamine on the thermal conductivity of the composites materials will be investigated. The effective medium approach will be used to calculate the value of interfacial thermal resistance as to reveal the relationship between interfacial thermal resistance and interfacial structures.

在导热填料/高分子复合材料体系中，界面热阻的存在是影响复合材料导热能力的主要因素之一，通过对导热填料进行表面改性等方法来增强界面相互作用可以有效降低界面热阻。传统改性方法由于自身的局限性，大多只关注改性材料与高分子材料的界面，而对改性材料本身的结构以及其与导热填料的界面结构缺乏考虑。本项目提出利用多巴胺修饰导热填料来构筑高效的导热界面结构从而有效降低界面热阻的设想，多巴胺可以在各种材料表面发生自聚合为具有良好共轭导热能力的聚多巴胺，且具有厚度可控、表面活性基团多等优点，从而为系统研究界面结构的三部分对界面热阻的影响提供了条件。本项目选用多壁碳纳米管和环氧树脂为模型材料，从聚多巴胺与环氧树脂的界面结构、聚多巴胺与导热填料的界面结构和聚多巴胺的厚度等方面着手，系统研究界面结构对复合材料导热系数的影响，并通过有效介质理论进行数据计算得到相应的界面热阻，从而揭示界面热阻与界面结构间的深层次关系。

为提高高分子材料的导热能力通常需要在体系中引入高导热无机填料，然而，实验中测得的导热填料/高分子复合材料的导热系数远小于预期值，这是由于界面热阻的存在所造成的，特别是在低填充量的情况下，填料与基体间的界面热阻对最终复合材料的导热能力有着非常重要的影响。为了实现通过降低界面热阻从而改善复合材料的导热能力，就需要增强导热填料与基体材料间的界面相互作用力。虽然对导热填料进行表面改性已经有了广泛的研究，但是在如何有效的构筑导热填料与高分子材料间的界面结构从而降低界面热阻上缺乏系统深入的研究，对界面结构与界面热阻之间的关系仍然不甚清楚。本项目提出利用多巴胺修饰导热填料来构筑高效的导热界面结构从而有效降低界面热阻的设想。利用多巴胺优异的包覆改性能力，实现了对碳纳米管、石墨烯纳米片等填料的表面包覆改性，并通过后续进一步化学修饰在填料表面引入大量氨基、环氧基等活性基团，通过红外、热失重、电镜等手段对包覆效果进行了表征；研究了多巴胺改性填料在环氧树脂基体中的分散性及界面相互作用对复合材料力学性能、导热性能的影响，并通过有效介质理论计算了环氧/填料的界面热阻。实验结果表明：（1）为降低界面热阻应注意控制多巴胺包覆的厚度，这是由于聚多巴胺包覆厚度过大，一方面在称量样品时同样质量分数的情况下，其实际使用碳管数量偏少，另一方面厚度过大也会影响热量在碳管和基体之间的传递；（2）在多巴胺包覆碳管改性的基础上通过化学反应进一步修饰上含氨基、环氧基等活性基团，使碳管与环氧基体间形成化学键，有利于增强碳管与基体间的界面相互作用，从而大幅降低界面热阻，如采用1,4-对苯二胺修饰碳管相比与未改性的碳管，其在环氧基体中的界面热阻下降了44%；同时刚性结构的1,4-对苯二胺修饰效果要由于柔性结构的1,4-丁二胺。本项目研究进一步探索了界面结构中的诸多因素对界面热阻的影响，为制备获得高导热的高分子复合材料提供了有益的参考。