中科院提出折叠制备聚乙烯材料新方法，可用于电磁干扰有效抑制及电子设备冷却

电磁污染和过热是半导体器件在发展过程中遇到的主要挑战，而聚乙烯（Polyethylene，简称 PE）是这类器件的常用复合材料。因此，提高器件中聚乙烯的电磁屏蔽性能和导热性能至关重要。当前，制备这类复合材料的常规方法是熔融混合，但该方法存在填料分散困难及高电阻限制问题。

为此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员林正得团队与中国科学院深圳先进技术研究院万艳君副研究员联合提出了一种可制备 PE 复合材料的新型折叠制备策略，并在使用同等填料含量的情况下，将 PE 复合材料的物理性能大幅提升。该方法带来的填料界面设计路径有望推动微电子和微系统的高性能聚合物复合材料制备工作。

▲图 |林正得（来源：林正得）

近期，相关论文以《具有通过氢键界面连接的 Ti₃C₂T_x  MXene/石墨烯骨架的聚烯烃复合材料的电磁屏蔽和导热性能的增强》（Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with a Ti3C2Tx  MXene/Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface）为题发表在 ACS Nano上[1]，林正得担任通讯作者，中国科学院宁波材料技术与工程研究所谭雪博士为第一作者。

▲图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

据悉，该团队首先采用化学气相沉积法，在 Ni 编织网上合成出石墨烯薄膜，接着又将 Ni 去除获得 GWFs 骨架。然后，他们对该骨架进行氧等离子体预处理羟基化，并喷涂了 MXene 纳米片，最终制备出 M-o-GWFs 骨架。而且，在对 M-o-GWFs 骨架进行相关表征后，研究人员发现，MXene 和羟基化石墨烯之间形成了互补的氢键相互作用，这种氢键连接比传统的范德华力耦合更强。

得到 M-o-GWFs 骨架后，该团队进一步将其转移到 10 μm 厚的 PE 衬底上，然后对形成的 M-o-GWF/PE 薄膜作折叠和 130℃、10 MPa 下的热压处理，从而制备出 M-o-GWF/PE 复合材料。

林正得表示，他们提出的制备方法与搭建钢筋水泥建筑类似，即铺一层水泥、再铺一层钢筋，不断重复这一过程。

▲图 | M-o-GWF/PE 复合材料的制备和电磁屏蔽性能（来源：ACS Nano）

研究表明，M-o-GWF/PE 复合材料的结构为层状，成型难度较低；相较于 M-GWF/PE 复合材料，M-o-GWF/PE 复合材料屏蔽电磁干扰的能力更强，电磁屏蔽效能比其高 13.4%。

这是因为形成氢键连接的 MXene/石墨烯异质结可帮助提高 PE 复合材料的电磁屏蔽性能；而且，由于电荷分布不对称，MXene 与石墨烯的界面处发生了极化，导致所得到的界面偶极子放大了入射电磁波的响应，并通过进一步增加介电损耗来提高电磁波的吸收性能。在合理结构设计的导电欧姆损耗和源于界面工程的介电损耗的协同作用下，M-o-GWFs/PE 复合材料获得电磁屏蔽干扰能力的大幅提升。

据了解，通过在 PE 基体中构建相互连接的石墨烯骨架，GWF/PE 类材料的导热系数比 PE 及 MXene/PE 复合材料高的多，达到了 9.18 W m^-1 k^-1。对于 MXene 纳米片含量为~0.4 wt% 的 M-GWF/PE 与 M-o-GWF/PE 复合材料来说，它们的导热系数分别升至 9.22 和 9.26 W m^-1 k^-1。

研究人员称，基体和复合材料的热扩散系数都随着环境温度的升高而降低。他们对 M-o-GWF/PE 复合材料进行热循环试验后发现，该材料在热扩散系数方面发生的变化比纯 PE 材料小得多，展现出优异的热稳定性。值得一提的是，M-o-GWF/PE 复合材料在优选方向上的比热导率增强为~719，与现有的纳米填料/聚烯烃复合材料相比，这是一个创纪录的高值。

▲图 | 制备方法的通用性以及电磁屏蔽和导热性能的应用演示（来源：ACS Nano）

总的来说，该课题组制备的 M-o-GWF/PE 复合材料拥有良好的电磁屏蔽效能和热导率。在~3.0 wt% 的低填料含量情况下，该材料具有~61.0 dB 的电磁屏蔽性能和 9.26 W m^-1 k^-1 的热导率。

此外，林正得说道，他们的研究有助于启发同领域科学家开展界面工程的相关研究。据介绍，大功率 LED 灯通常会采用复合材料板的来完成散热工作，相比于 PE 板，M-o-GWF/PE 复合材料能更大程度降低 LED 灯的温度，在冷却效率上更强。而且，常规工作情况下，采用 M-o-GWF/PE 复合材料的 LED 灯循环寿命以及耐用性能更高。

该团队表示，总的来说，其 M-o-GWF/PE 复合材料既可以帮助设备屏蔽电磁干扰，又能用作电子设备的散热。而且，该材料的制备方法是通用的，还可用于改善 PP、PVC 和 PMP 等热塑性体系的电磁屏蔽效能和导热性能。

参考资料：

1.Cheng-Te Lin et al. Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with a Ti₃C₂T_x MXene/Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface. ACS Nano.（2022）https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01716