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聚氨酯/表面修饰碳纳米管复合材料的制备与导热、电绝缘行为

赵瑾朝  
【摘要】:近年来,半导体和大规模集成电路的迅速发展对热界面材料的性能提出了更高的要求。碳纳米管具有高导热性能而备受关注,被视为热界面材料的理想导热填料。碳纳米管主要是通过声子的传导而导热,声子在其管内呈弹道传导效应。碳纳米管的大长径比及高比表面积和表面能,使其在聚合物溶液或熔体中具有难以分散、无序排列以及弱的界面粘接性能。因此,碳纳米管与聚合物间具有较大的界面热阻,声子在界面无法有效传导,导致复合材料的实际导热性能与理论值相差甚远。采用共价接枝的方法制备功能化碳纳米管能够提高碳纳米管在聚合物基体中的分散性能及其与聚合物的界面结合力,是降低碳纳米管与聚合物间的界面热阻、提高复合材料导热性能的有效手段。 本论文分别利用聚合物和无机材料共价修饰了多壁碳纳米管(MWNTs),并采用溶液分散法制备了聚氨酯/碳纳米管(PU/MWNT)复合材料,系统研究了复合材料的力学、流变加工、导热及电绝缘等性能。首先,采用‘'graft to"法合成了端羟基聚丁二烯(HTPB)接枝的MWNTs (HTPB-MWNTs)、制备了聚氨酯/HTPB-MWNT (PU/HTPB-MWNT)复合材料。HTPB包覆层增强了MWNTs与PU的界面相互作用,降低了PU/MWNT体系固化前的表观粘度,改善了体系的加工流动性。HTPB包覆层也促进了MWNTs在PU中的分散,明显提高了PU/MWNT复合材料的力学性能。HTPB包覆层的电绝缘作用使PU/HTPB-MWNT复合材料保持了PU的电绝缘性能。同时HTPB包覆层降低了MWNTs与PU基体间的界面热阻,提高了PU/MWNT复合材料的导热性能。当HTPB-MWNTs的添加量分别为0.5和1.0 wt%时,PU/MWNT复合材料的热导率分别提高了48.6%和58.8%。 与直链聚合物相比,超支化聚合物具有紧密的球形结构,较低的本体和溶液粘度,以及丰富的-OH端基。本论文采用"graft from"方法合成了超支化聚(脲-氨酯)(HPU)接枝多壁碳纳米管(HPU-MWNTs),制备了PU/HPU-MWNT复合材料。研究结果表明,MWNTs表面的HPU包覆层对PU/MWNT体系的加工流动性、力学、电绝缘及导热性能的影响表现出与HTPB包覆层对PU/MWNT体系的相似规律,而且其影响更显著。添加0.5wt.%和1wt.%的MWNTs,复合材料的导热系数分别提高了58.2%和67.8%。 无机材料包覆碳纳米管制备无机材料-碳纳米管同轴纳米线,能够赋予碳纳米管新的物理及化学性能。本论文采用溶胶-凝胶法制备了不同包覆厚度的二氧化硅包覆碳纳米管(SiO2@MWNTs),包覆在MWNTs表面的SiO2层增强了MWNTs与PU基体之间的界面相互作用,促进了MWNTs在PU基体中的分散性。由于SiO2包覆层的电绝缘作用,使PU/SiO2@MWNT复合材料保持了PU的电绝缘性能。同时SiO2包覆层作为过渡层,降低了PU与MWNTs之间的模量失配,减少了声子的界面散射,提高了PU/SiO2@MWNT复合材料的导热性能。并且,复合材料的导热性能随着SiO2@MWNT包覆厚度的增加而上升。 为了进一步提高PU/MWNT复合材料的热稳定性,拓宽复合材料的使用温度范围。本论文同时合成了笼型倍半硅氧烷接枝多壁碳纳米管(POSS@MWNTs),经过改性后,POSS包覆层不仅保持了PU基体的原有的电绝缘性能,提高了复合材料的导热性能,并且同时提高了MWNTs和复合材料的热稳定性,使其在热界面材料领域具有更广泛的应用前景。


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