One-step alkyl-modification on boron nitride nanosheets for polypropylene nanocomposites with enhanced thermal conductivity and ultra-low dielectric loss

一步烷基化改性氮化硼纳米片制备具有导热性和超低介电损耗的聚丙烯纳米复合材料

谢紫龙，吴凯，刘丁侥，张琴，傅强*

图 1 氮化硼纳米片的烷基化改性，复合材料的制备，复合材料的热导率和介电损耗。

在微电子领域和无线通讯领域，材料的高导热和低介电损耗对于器件热量的及时散发和信号的传输十分重要。而在过去的研究中，加入高导热填料改善聚合物材料的导热性能通常会伴随介电损耗的激增，这可能是由于复合材料中不良的填料-基体界面导致强烈的界面极化和声子散射所致。过去鲜有报道兼具良好导热性能和极低介电损耗的复合材料。

考虑到界面的重要性，本工作通过简便的超声处理，实现了高导热填料氮化硼纳米片的烷基化改性（Alkyl-BNNS），并保持了BNNS完整的面内晶格，通过熔融共混制备了低含量的聚丙烯基纳米复合材料。得益于氮化硼与聚丙烯分子链良好的界面相互作用，填料的分散被改善，界面极化和声子散射被明显抑制。材料拥有良好的导热性能、极低的介电损耗（0.002）、提升的击穿强度和出色的柔韧性，在柔性电子封装、5G通讯和储能电容器等场景有潜在的应用价值。

图2 烷基化氮化硼纳米片的改性原理和改性中的结构变化。

 图3 PP/Alkyl-BNNS和PP/BNNS复合材料的结构

由于氮化硼的化学惰性，过去对于氮化硼的烷基化改性通常过程复杂，本研究报道了一项简便的超声改性方法，结果表明，氮化硼纳米片在烷基化改性后，尺寸和厚度有所减小，有着优异的疏水性，在复合材料中的分散和界面被明显改善。

图4 PP/Alkyl-BNNS和PP/BNNS复合材料的导热性能。

图5 PP/Alkyl-BNNS复合材料和PP/BNNS复合材料的介电性能和材料内部电场模拟。

改性后的氮化硼纳米片对聚丙烯的导热性能提升明显，有限元模拟表明这主要是由于复合材料中的界面和填料分散被显著改善，使界面处的声子散射减少，传热效率提升，PP/Alkyl-BNNS复合材料的热导率最高被增加至2.7 W/m·K。材料的导电性和低频介电损耗表明，改性后复合材料的电子迁移被限制，这可能抑制了空间电荷在界面处的迁移进而抑制界面极化，有限元模拟也表明复合材料界面附近的电场强度被明显弱化，界面极化可能因此受到抑制，PP/Alkyl-BNNS复合材料的介电损耗保持在极低的0.002。该研究对于理解低含量复合材料中的导热机理和界面极化导致的介电损耗提供一些新依据。

相关成果以标题为”One-step alkyl-modification on boron nitride nanosheets for polypropylene nanocomposites with enhanced thermal conductivity and ultra-low dielectric loss”发表在期刊Composites science and technology。四川大学高分子学院的硕士研究生谢紫龙为本论文第一作者，四川大学高分子学院的傅强教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108756

资料提供：谢紫龙

审核：吴凯

编辑: 张玮