研究背景
随着便携式设备、智能电子和微电子系统的发展，电子器件的“过热”和电磁污染问题已经严重影响到电子设备的运行和人体健康，为了保证电子系统的安全，对导热和电磁屏蔽材料的要求越来越高。此外，废弃电子设备造成的环境污染也不容忽视，因此，开发可再生环境友好型导热和电磁屏蔽复合材料具有长远的发展潜力。
文章要点
针对聚合物基复合材料导热性能和低反射电磁屏蔽性能难以同时兼顾的问题，西南交通大学化学学院王勇教授课题组制备了一种非对称三明治结构的左旋聚乳酸（PLLA）基复合薄膜（图1）。通过调控顶层和底层薄膜石墨烯纳米片（GNPs）的非对称分布，以及在中间层引入少量右旋聚乳酸（PDLA）和磁性粒子Fe3O4，得到了具有高导热和低反射电磁屏蔽效能（EMI SE）的PLLA基复合薄膜。当GNPs和Fe3O4含量分别为5.61 wt%和4.39 wt%，薄膜厚度仅为300 μm时，具有非对称结构的PLLA复合薄膜的面内热导率和EMI SE分别达到7.49 W m - 1 K - 1和41.7 dB，相较于具有对称结构的PLLA基复合薄膜分别提升了126.8%和26.4%。
图1. PLLA复合薄膜的制备工艺示意图
研究发现，在相同填料含量下，非对称结构复合薄膜表现出比对称结构复合薄膜更为优异的导热性能（图2），并且非对称结构对入射电磁波具有“弱反射-吸收-强反射-再吸收”的作用机制，赋予了复合薄膜以电磁吸收为主的电磁屏蔽性能。此外，通过在中间层引入少量PDLA的方法，促进了中间层形成立构复合晶（SC），在堆叠热压过程中进一步诱导层间SC微晶的形成，增强了层间相互作用，保持了PLLA薄膜良好的机械性能（图3）。
图2. （a）不同x:y比值的Gx/DF4.39/Gy-5.61复合薄膜面内和面外热导率；（b）在GNPs含量为5.61 wt%时不同x:y比值的PLLA基复合薄膜的面内热导率随温度的变化；（c）比较了本工作和其他层状结构复合薄膜的导热增强因子；（d）PLLA复合薄膜的红外热成像图；（e）PLLA基复合薄膜的热传导机理示意图
图3. （a）不同x:y比值的Gx/DF4.39/Gy-5.61复合薄膜的体积电导率；（b）比较了Gx/DF4.39/Gy-5.61复合薄膜的平均EMI SE；（c）不同Fe3O4含量的G3/DF4.39/G7-5.61复合薄膜的平均EMI SE；（d） Gx/DF4.39/Gy复合薄膜EMI屏蔽机制示意图；（e）不同x:y比值下Gx/DF4.39/Gy-5.61复合薄膜的拉伸强度
综上，本研究以可再生PLLA作为聚合物基体，通过合理设计填料的非对称分布和引入少量磁性粒子，实现了导热性能和低反射电磁屏蔽性能的同步提升，并且保持了PLA基复合薄膜良好的机械性能。这一研究结果为制备兼具高导热性能和电磁屏蔽性能的聚合物基可再生复合薄膜提供了新的方向。相关成果以“Poly(L-lactic acid)/graphene composite films with asymmetric sandwich structure for thermal management and electromagnetic interference shielding”为题发表在Chemical Engineering Journal. DOI: 10.1016/j.cej.2023.143190。论文的第一作者为2019级博士研究生辜婷，通讯作者为西南交通大学化学学院王勇教授和西南交通大学地球科学与环境工程学院赵乘寿副教授。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143190
