木质素在柔性纤维素纸基底和聚酰亚胺基石墨散热材料中的应用

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bchen2009
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近年来,消费电子产品快速更新迭代,尺寸迅速减小,集成密度和功率密度迅速升高,对消费电子产品的回收降解以及快速散热都提出了巨大的挑战。一方面,为解决越来越多升级或废弃的消费电子导致的电子废物的产生,可持续的柔性和绿色的电子产品基底材料成为了社会关注的热点。另一方面,为保障电子设备,尤其是目前高功率以及可折叠的5G消费电子设备安全运行的可靠性和稳定性,具有高散热速率、高柔韧性、低成本的轻质散热材料进入了研究者们的视线。柔性消费电子最常见的基底材料包括:超薄玻璃、聚合物、金属箔和纤维素纸等材料,但超薄玻璃不耐折叠,聚合物难以降解,金属箔表面粗糙、纤维素纸机械性能差。常见的柔性散热材料包括:金属、石墨散热膜和复合散热材料,但金属柔性差,石墨散热膜价格高昂,复合散热材料散热不均一。因此,寻找合适的材料制备出解决以上不足的基底材料和散热材料是亟待解决的问题。纤维素来源于天然木材,在木材中深深地嵌入在半纤维素-木质素水凝胶网络中,并作为主要的支架提供机械强度,近年来被广泛应用于生物医疗的骨架材料以及光电器件的基底材料,以实现其降解性能。木质素是造纸工业蒸煮过程中的副产物,含量丰富,价格低廉,其次木质素结构上的酚羟基使木质素具有中等表面活性,能选择性溶于有机溶剂,酚羟基还能为化学改性提供了功能位点,此外木质素是自然界中含量最丰富的可再生芳香化学物质,含碳量高,具有典型的π-π共轭结构,常被作为吸附材料或生物质燃料。聚酰亚胺是一种非结晶高玻璃化转变温度聚合物,具有优异的热稳定性和低膨胀系数,热分解温度高达500℃以上,能在高温煅烧后也能保持薄膜形态,其次因其是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子,碳元素含量高,能进一步石墨化,常被作为石墨散热膜的基体材料。因此,本文对以上三种材料进行探究,针对柔性电子器件的基底材料和散热材料存在的不足,制备出柔韧性好、表面光滑、机械性能好的绿色可降解基底材料和散热性能好、柔韧性好、低成本的轻质散热材料。具体如下:(1)成功开发了一种高性能、低成本、环境友好的木质素-纳米纤维素绿色复合基底,用于柔性和绿色电子产品,以减少电子废弃物的产生,降低对环境的不利影响。绿色复合基底由来源于天然木材的木质素和纳米纤维素两种天然组分构成。通过对木质素进行适当的预处理,两种组分表现出良好的相容性,所制备的基底具有优异的性能,表面粗糙度为4.68 nm,最大极限拉应力为146 MPa,最高弹性模量为16.16 GPa,透光率为59.57%@750 nm,阻燃性能和热稳定性显著,Tstart为230.9℃,Tm为150℃,经过木质素预处理后,极限拉应力大幅提高了554%。并且木质素可以添加超高的负载量(最高可达50 wt%),显著降低了基底成本。随后在基底上成功制备了RFID天线器件并进行了降解测试,器件和衬底均表现出明显的分解和降解特性。(2)成功开发了一种具有优异的散热性能、良好的柔韧性、低成本的轻质聚酰亚胺基复合石墨散热膜,可用于柔性的消费电子产品,以提高电子产品的散热效率。聚酰亚胺复合石墨散热膜由木质素和聚酰亚胺两种原材料制备得到。通过将木质素均匀分散在聚酰胺酸溶液中,亚胺化得到木质素/聚酰亚胺复合薄膜,再经碳化、石墨化制备得到木质素/聚酰亚胺复合石墨膜。石墨膜表现出优异的散热性能(导热系数691.322 W·m-1·℃-1),良好的柔韧性,以及较低的密度(1.65 g·(cm~3)-1),并且木质素的负载量超高(最高可达30wt%),显著降低了复合石墨膜的成本。随后将复合石墨膜成功地应用在了高发热功率的电脑中央处理器上,复合石墨膜表现出优异的散热效果。本论文的研究主要围绕着纳米纤维素、木质素以及聚酰亚胺三种材料,旨在制备高性能的基底材料和散热材料应用于柔性消费电子器件,并期望实现消费电子器件的可降解和高散热,减轻废弃电子对环境的负担以及保障器件的安全稳定运行。
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