摘 要： 為解決可穿戴電子設(shè)備中的散熱問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種高導(dǎo)熱、高電絕緣性能的柔性熱管理材料。通過(guò)選用氮化硼（BN）和石墨烯納米片（GNPs）作為雜化導(dǎo)熱填料，選取聚多巴胺（PDA）對(duì)雜化導(dǎo)熱填料表面進(jìn)行改性，然后與聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，采用熱壓法制備了不同填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的B-PDA-G/PDMS導(dǎo)熱絕緣膜。利用傅里葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜和掃描電鏡等表征手段，探究填料B-PDA-G與單一BN對(duì)PDMS膜導(dǎo)熱性能的影響，并評(píng)估其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。結(jié)果表明：B-PDA-G/PDMS膜在低填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)能夠保持良好的力學(xué)性能、電絕緣性和導(dǎo)熱性能。當(dāng)BN與GNPs的質(zhì)量比為5∶5，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí) B-PDA-G/PDMS導(dǎo)熱絕緣膜的面內(nèi)導(dǎo)熱率最高可達(dá)7.63 W/（m·K），相較于BN/PDMS和純PDMS膜分別提高了2.8倍和27.3倍。B-PDA-G/PDMS作為封裝材料應(yīng)用于電熱織物中表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱和散熱性能，表明其在柔性可穿戴設(shè)備和電子器件的熱管理中應(yīng)用潛力巨大。

關(guān)鍵詞：表面改性；聚二甲基硅氧烷（PDMS）；聚多巴胺（PDA）；導(dǎo)熱絕緣；熱管理

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2024）04-0010-11

隨著電子器件小型化、集成化和多功能化，電子設(shè)備的功率密度和單位體積熱量輸出顯著增加，如不能有效散熱，將影響其性能和使用壽命［1-2］。高導(dǎo)熱絕緣柔性聚合物材料被廣泛用于在電子、航天、可穿戴智能紡織品等領(lǐng)域，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有重量輕、彈性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在柔性電子器件的散熱領(lǐng)域中潛力巨大。然而PDMS的導(dǎo)熱率（～0.27 W/（m·K））較低，難以滿足熱界面材料的散熱需求，因此提高PDMS材料的導(dǎo)熱性能對(duì)其在智能柔性電子器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。通過(guò)引入導(dǎo)熱填料，如金屬基、陶瓷基和碳基材料等，可以有效提高PDMS材料的導(dǎo)熱性能［3］。碳基材料石墨烯納米片（GNPs）因特殊的sp2碳原子結(jié)構(gòu)而具有高導(dǎo)電性（其體積電阻率僅為10-4 Ω·cm）和高導(dǎo)熱率（600～5000 W/（m·K）），受到了研究者們的廣泛關(guān)注［4-5］。氮化硼（BN）作為一種常用的陶瓷基導(dǎo)熱填料，有著與石墨烯相似的晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備良好的介電性、絕緣性和熱穩(wěn)定性。而單一填料需在較高的填料含量負(fù)載（gt;35%）下才能形成有效的導(dǎo)熱通道，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)復(fù)合材料易產(chǎn)生力學(xué)性能的惡化。高填料負(fù)載時(shí)復(fù)合材料的黏度增大，填料在PDMS基體中難以均勻分散，限制了PDMS復(fù)合材料的可加工性［6-9］。解決這一問(wèn)題的有效措施之一是使PDMS復(fù)合材料在低填料用量下實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率和良好的力學(xué)性能。

不同尺寸和形狀的雜化填料對(duì)提高PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能可起到協(xié)同作用。Huang等［10］將BN和銀納米線（AgNWs）作為雜化填料，制備的PDMS基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為0.91 W/（m·K），是純PDMS的5.1倍，較BN/PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱率提高了20%。Shen等［11］通過(guò)二氧化硅涂層GNPS提高了PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱率可達(dá)0.49 W/（m·K），比純PDMS復(fù)合材料提高了155%。Ji等［12］和張豪等［13］發(fā)現(xiàn)，陶瓷基填料BN與碳基填料進(jìn)行雜化，在相應(yīng)的復(fù)合材料中形成了雙重滲透導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。Li等［14］將BN與GNPs作為雜化填料，通過(guò)原位聚合制備了BN+GNPs/PI復(fù)合膜，該復(fù)合膜在雜化填料BN與GNPs質(zhì)量比為30∶1時(shí)表現(xiàn)出較高的導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱率可達(dá)1.21 W/（m·K），但其斷裂伸長(zhǎng)率僅有4.0%。這是因?yàn)殡s化導(dǎo)熱填料中各組分間相互作用較弱，導(dǎo)致相分離，使得界面相容性變差，因而雜化填料在基體中分散性差，易發(fā)生聚集［15］。因此關(guān)于雜化填料在聚合物基體中的分散問(wèn)題仍需進(jìn)一步探究。

多巴胺是海洋貽貝等生物所分泌黏液中的重要組成部分，多巴胺單體在弱堿性條件下，易在填料表面自聚合形成聚多巴胺（PDA）［16］。PDA可以在幾乎任何填料上進(jìn)行保形包覆，使填料的黏附性增強(qiáng)，改善填料與聚合物基體的界面相容性［17-18］。本文以PDA改性后的BN與GNPs作為導(dǎo)熱填料，填充PDMS聚合物基體，經(jīng)熱壓制備出B-PDA-G/PDMS柔性導(dǎo)熱絕緣膜。系統(tǒng)分析 B-PDA-G/PDMS導(dǎo)熱絕緣膜在較低填料用量下的導(dǎo)熱、力學(xué)、電絕緣等性能。探討B(tài)-PDA-G/PDMS作為封裝材料，在簡(jiǎn)易電熱織物應(yīng)用中的導(dǎo)熱散熱性能，為未來(lái)智能紡織品的導(dǎo)熱散熱應(yīng)用提供了新的思路。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與試劑

聚二甲基硅氧烷（PDMS，SYLGARD 184，美國(guó)道康寧公司）；六方氮化硼（h-BN，平均粒徑1 μm，河北省冶金粉末研究院）；石墨烯納米片（GNPs，lt;15 nm，安徽澤升科技有限公司）；鹽酸多巴胺（DA，98%，天津艾利安電子科技有限公司）；無(wú)水乙醇（分析純，天津市開(kāi)瑞斯精細(xì)化工有限公司）；Tris-HCl緩沖液（10 mmol/L，pH=8.5，上海騰準(zhǔn)生物科技有限公司）；鍍銀紗線（30 Ω/m，青島天銀紡織科技有限公司）；非織造布（40 g/m2，山東德潤(rùn)新材料科技有限公司）。

1.2 測(cè)試與表征

1.2.1 結(jié)構(gòu)表征

采用傅里葉變換紅外光譜（Nicolet iS50，美國(guó)）和X射線光電子能譜儀（XPS，Thermo Scientific K-Alpha，美國(guó)）對(duì)改性前后填料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，利用掃描電子顯微鏡 （SEM，Tescan Mira LMS，捷克）觀察了PDMS復(fù)合材料膜的截面形貌。

1.2.2 導(dǎo)熱和絕緣性能測(cè)試

導(dǎo)熱率由式（1）計(jì)算：

λ=α×Cp×ρ（1）

式中：λ為導(dǎo)熱率，W/（m·K）；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s；Cp為比熱容，J/（g·K）；ρ為物質(zhì)密度，g/cm3。

采用激光導(dǎo)熱儀（Netzsch LFA 467，德國(guó)）在室溫條件下測(cè)量平面內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)。平面內(nèi)熱擴(kuò)散系數(shù)的試樣直徑為 25.4 mm，厚度約為 0.2 mm。比熱容（Cp）由差示掃描量熱儀（TA DSC250，美國(guó)）在20～200 ℃升溫速率為10" ℃/min 下獲得。樣品密度由公式ρ=m/v計(jì)算得到。

利用綜合熱分析（STA，TG-DSC449F5，德國(guó)）研究樣品的熱穩(wěn)定性，試驗(yàn)升溫速率為10" ℃/min，N2氣氛，升溫范圍為30～800" ℃。在控溫環(huán)境中，測(cè)試得到樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化的熱重曲線（TGA），分析TGA曲線中的耐熱性指數(shù)，由式（2）計(jì)算：

THRI=0.49×［T5+0.6×（T30-T5）］（2）

式中：THRI為耐熱性指數(shù)， ℃；T5為樣品質(zhì)量損失5%時(shí)的分解溫度， ℃；T50為樣品質(zhì)量損失50%時(shí)的分解溫度， ℃。

電絕緣性由數(shù)字源表（Keithley2450，美國(guó)）測(cè)試得到復(fù)合材料的體積電阻率。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（Instron 5969，美國(guó)），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第1部分：總則》對(duì)膜材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試樣尺寸為50 mm×10 mm，拉伸速度為50 mm/min。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)每個(gè)樣品測(cè)試3次，經(jīng)計(jì)算得到膜材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.2.4 導(dǎo)熱散熱應(yīng)用測(cè)試

為評(píng)估膜材料在電熱織物中的導(dǎo)熱散熱能力，分別將填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%的導(dǎo)熱絕緣膜作為封裝涂層應(yīng)用于電熱織物中。利用能量色散X光譜儀（EDS，Tescan Mira LMS，捷克），對(duì)涂層織物的截面進(jìn)行元素分析。通過(guò)手持型紅外熱成像儀（H16，杭州微影軟件有限公司）觀察封裝涂層后織物的導(dǎo)熱散熱。

1.3 B-PDA-G/PDMS復(fù)合膜的制備

B-PDA-G/PDMS復(fù)合膜的制備過(guò)程如圖1所示。為研究GNPs含量對(duì)材料性能的影響，首先分別將5 g的BN和1、3、5 g和7 g的GNPs填料加入300 mL Tris-HCl緩沖溶液和100 mL乙醇的混合溶液中，4組試驗(yàn)樣品均在室溫下超聲3 h，然后加入600 mg的鹽酸多巴胺，25" ℃水浴鍋中攪拌24 h，使多巴胺分子在BN和GNPs表面上充分自聚合形成PDA。利用真空抽濾將樣品過(guò)濾并用去離子水和酒精沖洗，直至溶液澄清無(wú)色。觀察改性后的BN顏色由白變?yōu)榛液稚砻鱌DA已經(jīng)包覆在BN 顆粒上。最終將PDA處理后的BN和GNPs放入80 ℃的真空烘箱中，干燥24 h，得到雜化填料BN與GNPs質(zhì)量比為5∶1、5∶3、5∶5和5∶7的B-PDA-G填料。分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的填充量，將不同質(zhì)量比的雜化填料加入至PDMS基底中，經(jīng)轉(zhuǎn)速為2800 r/min的高速分散器（XHF-DY，寧波新芝生物科技股份有限公司）充分?jǐn)嚢? min，形成均相混合物后加入固化劑，并將混合后的漿料放入真空烘箱中脫泡備用，最后放入熱壓印機(jī)（實(shí)驗(yàn)室自制）模具內(nèi)，在130" ℃、8 kPa條件下保溫90 s，制備出柔性B-PDA-G/PDMS復(fù)合膜。依照雜化填料BN與GNPs質(zhì)量比，對(duì)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料命名如表1所示。為比較單一填料BN和雜化填料B-PDA-G在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下填充PDMS材料的性能效果，以同樣的方法制備了BN/PDMS復(fù)合膜。

2 結(jié)果與分析

2.1 B-PDA-G填料性能分析

為確定PDA對(duì)雜化填料BN和GNPs的修飾作用，利用FTIR紅外光譜對(duì)填料結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2（a）所示。從圖2（a）中觀察到，BN在1324 cm-1和756 cm-1處的吸收峰分別為B-N伸縮振動(dòng)和B—N—B的彎曲振動(dòng)［19］，GNPs在1600～1475 cm-1處為苯環(huán)CC的吸收峰。在B-PDA-G雜化填料的結(jié)構(gòu)中，除具有BN和 GNPs的吸收峰外，在1700～1000 cm-1處出現(xiàn)增寬峰，這是由于多巴胺自聚合反應(yīng)中芳香環(huán)骨架振動(dòng)和—NH不對(duì)稱彎曲引起的峰重疊效應(yīng)。從B-PDA-G對(duì)應(yīng)的3021 cm-1和2924 cm-1處觀察到，存在與PDA一致的不對(duì)稱和對(duì)稱—CH2—伸縮振動(dòng)［20-21］，結(jié)果表明PDA對(duì)雜化填料的成功修飾。

通過(guò)XPS進(jìn)一步分析鑒定了改性前后填料的化學(xué)鍵，結(jié)果如圖2（b）—（d）所示。從圖2（b）中可以看出，全譜圖中BN和B-PDA-G中C、O、B和N的峰位基本相同，即B1s峰在190.4 eV，C1s峰在284.8 eV，O1s峰在533.5 eV，N1s峰在399.1 eV。這與前人的結(jié)果［22-24］一致。BN中C和O的存在可能是由于BN材料暴露于空氣（O2、CO2和H2O）中的殘留物［25］，GNPs高碳含量使得 B-PDA-G中的C含量增加，GNPs中不存在N元素，而B(niǎo)-PDA-G的N元素與BN相比的相對(duì)強(qiáng)度增加是因?yàn)槎喟桶吩贐N、GNPs表面發(fā)生了自聚合。從圖2（c）—（d）中觀察到BN的N1s峰上只存在B-N鍵，而在B-PDA-G中在399.2 eV和401.2 eV出現(xiàn)了兩個(gè)新的鍵，這兩個(gè)鍵分別對(duì)應(yīng)著PDA的—NH、—NH2組分，這證明PDA對(duì)BN和GNPs表面的成功修飾［26］。

為研究PDA在改性填料中的含量，通過(guò) TGA曲線分析BN、GNPs、B-PDA-G填料的熱降解行為，結(jié)果如圖2（e）—（f）所示。從圖2（e）中可以看出，與幾乎沒(méi)有失重的BN相比，GNPs和B-PDA-G在800" ℃下的失重分別為2.43%和4.38%。在圖2（f）中，PDA在800" ℃時(shí)失重45.53%。計(jì)算所有樣品的剩余質(zhì)量，得到PDA在B-PDA-G中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.67%。

2.2 B-PDA-G/PDMS的形貌結(jié)構(gòu)

填料在基體中的分散狀態(tài)會(huì)影響其導(dǎo)熱性能。由于BN片層之間具有較強(qiáng)的范德華力相互作用，使得BN在PDMS基體中易產(chǎn)生再堆積和聚集［10］。BN/PDMS的截面圖如圖3（a）—（c）所示，從圖中可以看出，隨著填料負(fù)載配比的增加截面更為粗糙，團(tuán)聚現(xiàn)象增加。B-PDA-G在PDMS集體中的分散狀態(tài)，如圖3（d）—（f）所示，由圖中可以看出，與原始的BN

填料相比雜化填料B-PDA-G在PDMS基體中的分散更為均勻。這主要?dú)w功于PDA改性后的雜化填料與PDMS之間產(chǎn)生了較強(qiáng)的界面鍵合。當(dāng) B-PDA-G的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30% 時(shí)，圖 3（f）中 B-PDA-G/PDMS膜在面內(nèi)水平方向中出現(xiàn)了均勻而緊密的網(wǎng)絡(luò)。這一結(jié)果表明經(jīng)熱壓后的B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料，填料在PDMS基體中的有效接觸顯著增加，有利于B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料面內(nèi)導(dǎo)熱性能的增強(qiáng)。

2.3 B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的電絕緣性能

為評(píng)價(jià)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的電絕緣性能，考察其體積電阻率如圖4所示。BN是電絕緣體，添加不同含量的BN并沒(méi)有降低其復(fù)合材料的體積電阻率，PDMS和BN/PDMS材料均表現(xiàn)出良好的電絕緣性能，體積電阻率超過(guò)了1014 Ω·cm。由于GNPs所具有的極高本征導(dǎo)電性，使得GNPs作為單一填料時(shí)，GNPs/PDMS復(fù)合材料的體積電阻率只有3.356×108 Ω·cm，低于絕緣材料臨界電阻（109 Ω·cm） ［27］。在B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料中，隨著填料中GNPs含量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率逐漸下降。當(dāng)雜化填料BN與GNPs質(zhì)量比為5∶5時(shí)，B-PDA-G/PDMS的體積電阻率為 3.275×1013 Ω·cm，仍為高絕緣體。BN與GNPs的質(zhì)量比為5∶7時(shí)，B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的體積電阻率下降至臨界電阻以下。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于PDA產(chǎn)生的界面效應(yīng)和BN的高絕緣性能，在一定程度上可以抑制GNPs在低比例下的導(dǎo)電性，使BN與GNPs質(zhì)量比在5∶5及以下時(shí)，B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能。當(dāng)填料中GNPs的含量超過(guò)臨界值時(shí)，GNPs可能會(huì)相互連接導(dǎo)致界面極化效應(yīng)的產(chǎn)生［28］，使B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料由絕緣體轉(zhuǎn)為半導(dǎo)體。

2.4 B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能

雜化填料的成功改性有效地克服了單一填料在低填料用量下獲得PDMS材料高導(dǎo)熱率的困難。填料改性前后的PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，如圖5（a）所示，由圖中可以看出，PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱率隨著填料含量的增加而逐漸增加。與BN/PDMS相比，B-PDA-G/PDMS材料的導(dǎo)熱率增加得更快。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，B-PDA-G/PDMS-3復(fù)合材料的導(dǎo)熱率高達(dá)7.63 W/（m·K），是相同添加量下BN/PDMS（1.97 W/（m·K））的3.8倍，純PDMS（0.27 W/（m·K））的28.3倍。由于高導(dǎo)熱填料GNPs的加入，增強(qiáng)了B-PDA-G雜化填料在PDMS基體中的熱傳導(dǎo)，隨著雜化填料中GNPs含量的增加B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱率顯著增強(qiáng)。通過(guò)導(dǎo)熱增強(qiáng)率比較B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料與純PDMS的導(dǎo)熱率之間的關(guān)系，如圖5（b）所

示，由圖中可以看出，當(dāng)雜化填料中BN與GNPs質(zhì)量比為5∶5，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料相對(duì)于PDMS的導(dǎo)熱增強(qiáng)率為2727%。復(fù)合材料的導(dǎo)熱受填料固有導(dǎo)熱率、填料在基體間的界面相互作用和熱傳遞路徑等諸多因素的影響［29］。PDA對(duì)BN和GNPs的改性，使得填料在PDMS基體中分散更為均勻。在熱壓過(guò)程中隨著雜化填料含量的增加，B-PDA-G/PDMS的熱傳輸網(wǎng)絡(luò)更傾向于沿面內(nèi)方向傳輸。B-PDA-G填料在PDMS基體中的分布如圖6所示，從圖中可以看出，熱固性 PDMS經(jīng)熱壓變形，PDMS復(fù)合膜的厚度由厚變薄表面積變大。在熱壓過(guò)程中壓力從PDMS基體傳遞到B-PDA-G填料中，使填料與基體間的導(dǎo)熱間隙減小，B-PDA-G在PDMS中的相互接觸性增加，分布狀態(tài)趨于有序，由此B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)面內(nèi)導(dǎo)熱率的增強(qiáng)。

2.5 B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性

針對(duì)導(dǎo)熱性能更好的B-PDA-G/PDMS-3復(fù)合材料進(jìn)行熱重測(cè)試。TGA曲線如圖7所示，從圖中可以看出，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)所有樣品均表現(xiàn)出相似的降解特征，這表明填料的添加并未改變PDMS的降解機(jī)制。采用耐熱性指數(shù)（THRI）對(duì)TGA曲線中的具體參數(shù)分析，進(jìn)一步評(píng)價(jià)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，如表2所示。從表2中可以看出，隨著填料比例的增加，T5和T30均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的T5和T30分別達(dá)到452.9 ℃和515.4" ℃，較PDMS高出57.0" ℃和19.5" ℃。結(jié)果表明，加入B-PDA-G后PDMS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性得到提升。隨著B(niǎo)-PDA-G填料含量的增加，THRI相應(yīng)從223.4" ℃增加到了241.0" ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一方面是因?yàn)殡s化填料的阻礙作用限制了聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)和分解［30］，另一方面因?yàn)樘盍系谋砻娓男栽鰪?qiáng)了PDMS基體與B-PDA-G填料間的界面結(jié)合進(jìn)一步提高了B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的熱降解溫度。

2.6 B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的力學(xué)性能

為研究填料改性前后PDMS復(fù)合材料的力學(xué)性能，分別對(duì)BN/PDMS和B-PDA-G/PDMS-3進(jìn)行拉伸測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。由圖8（a）中可以看出，隨著填料含量的增加，BN/PDMS和B-PDA-G/PDMS材料的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，B-PDA-G/PDMS的下降率明顯低于BN/PDMS。當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，與BN/PDMS材料相比，B-PDA-G/PDMS材料的拉伸強(qiáng)度提高了57.7%。在圖8（b）中斷裂伸長(zhǎng)率也表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，隨著填料含量的增加斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低，B-PDA-G/PDMS的斷裂伸長(zhǎng)率較BN/PDMS提高了3.3%。這是由于BN和GNPs表面的PDA涂層可以作為BN、GNPs和PDMS之間的界面橋接，使雜化填料組分間的界面相互作用增強(qiáng)，減少了B-PDA-G填料在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（≤30%）下，在PDMS基體中的團(tuán)聚，增強(qiáng)了填料與基體的界面相容性［15］。由此使B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料在具有較高導(dǎo)熱率的同時(shí)力學(xué)性能得到改善。

3 B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的應(yīng)用分析

為評(píng)估B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的應(yīng)用潛力，將B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料作為封裝涂層應(yīng)用于簡(jiǎn)易電熱織物中。通過(guò)對(duì)電熱織物進(jìn)行封裝，使得小型加熱器件在確保安全的同時(shí)將熱量散逸至織物表面。將不同含量的BN/PDMS和B-PDA-G/PDMS-3復(fù)合材料分別涂層（厚度為0.5 mm）于縫制有導(dǎo)電鍍銀紗線的非織造布后，進(jìn)行熱壓形成導(dǎo)熱絕緣膜涂層。涂層電熱織物的SEM-EDS圖譜如圖9所示，從圖中可以看到，大量的C、N、Si均勻分布在織物中，其中B-PDA-G/PDMS涂層織物中的C、N元素較BN/PDMS涂層增多，這與圖2（b）一致，表明PDMS復(fù)合材料對(duì)織物的成功涂層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室組裝的熱紅外測(cè)試系統(tǒng)（見(jiàn)圖10（a））調(diào)節(jié)在5 V電壓下使電熱織物加熱到40" ℃，觀察電熱織物在平面內(nèi)的導(dǎo)熱范圍變化，如圖10（b）所示。由圖10（b）中可以看出，BN/PDMS和B-PDA-G/PDMS材料涂層織物的導(dǎo)熱范圍隨著導(dǎo)熱填料含量的增加而增大。與BN/PDMS相比，由于B-PDA-G/PDMS材料較高的面內(nèi)導(dǎo)熱率，B-PDA-G/PDMS材料涂層織物在平面內(nèi)的導(dǎo)熱范圍更大，提高了受熱織物表面溫度的均勻性。加熱120 s后關(guān)閉電源，通過(guò)紅外成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電熱織物在80 s內(nèi)的降溫溫度變化。降溫曲線如圖10（c）—（d）所示，從圖中可以看出，隨著導(dǎo)熱絕緣膜中填料含量的增加織物降至室溫（22～25" ℃）的時(shí)間逐漸縮短，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)B-PDA-G/PDMS導(dǎo)熱絕緣膜涂層織物的降溫時(shí)間最短僅為25 s，是相同含量BN/PDMS涂層織物的45%，表明其散熱能力是BN/PDMS材料的2.2倍。由此證明了B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料在電熱織物中作為導(dǎo)熱絕緣封裝涂層具有較強(qiáng)的散熱能力。

4 結(jié) 論

本文利用PDA對(duì)雜化填料BN和GNPs表面的同步改性，經(jīng)熱壓成功制備出B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料。探討了填料含量、雜化填料比例等對(duì)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料綜合性能的影響并將其應(yīng)用在簡(jiǎn)易電熱織物中，證明了B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料具有良好的散熱能力。主要結(jié)論如下：

a） 熱壓后的B-PDA-G/PDMS中雜化填料間物理連接增加，提高了材料的面內(nèi)導(dǎo)熱率。當(dāng)BN與GNPs質(zhì)量比為5∶5，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱率達(dá)到7.63 W/（m·K），是相同含量BN/PDMS的3.8倍，純PDMS材料的28.3倍。這一現(xiàn)象表明了改性后的 BN與GNPs 填料間的協(xié)同效應(yīng)能夠顯著增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

b） 經(jīng)PDA改性后的雜化填料與PDMS基體的相容性更好，使得雜化填料質(zhì)量比為5∶5的B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料，在較低的填料負(fù)載下（30%）具有較高面內(nèi)導(dǎo)熱率的同時(shí)擁有良好力學(xué)性能和電絕緣性。B-PDA-G/PDMS-3復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率為123.3%，拉伸強(qiáng)度為0.27 MPa，體積電阻率為3.275×1013 Ω·cm。

c） 將B-PDA-G/PDMS復(fù)合材料應(yīng)用于電熱織物的封裝材料，結(jié)果表明B-PDA-G/PDMS與BN/PDMS相比導(dǎo)熱范圍更大，散熱性能更好（40～25" ℃降溫時(shí)間僅需25 s）。

以上研究結(jié)果表明B-PDA-G/PDMS導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料對(duì)智能紡織品中電子器件的封裝具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Preparation and application of B-PDA-G/PDMS thermally conductive insulating materials

CHENG" Chunfen1，" PAN" Jiajun1，" TANG" Kongke2，" XIA" Zhaopeng1，" LIU" Zhitao3

Abstract： "With the continuous improvement of people's living standards， people have put forward more diverse requirements for the performance of clothing， and it has shown great market prospects. As the future development trend of wearable devices， the heat dissipation of electronic devices has gradually become the key to research and application in various fields， especially in the textile field. If there is no effective heat dissipation， overheating will seriously reduce the performance and reliability of the equipment. Polymers are often used in thermal management materials for their advantages of good processability， high relative molecular mass， low water absorption， high resistivity， high breakdown voltage， corrosion resistance and low cost. However， the inherent low thermal conductivity （0.2～0.5 W/（m ·K）） of the polymer matrix generally limits its heat dissipation applications. Usually， thermally conductive fillers such as the inorganic ceramic fillers of aluminum oxide （Al2O3）， aluminum nitride（AlN）， and zinc oxide（ZnO） are added to the polymer matrix to improve the thermal conductivity of polymers. The addition of these high-density ceramic fillers usually results in low compatibility with the polymer， poor dispersion， high loading， and unsatisfactory improvement of the thermal conductivity of the composites.

To solve the heat dissipation problem in wearable electronic devices， flexible thermal management materials with high thermal conductivity and electrical insulation properties were obtained. Boron nitride （BN） and graphene nanoparticles （GNPs） were selected as hybridized thermally conductive fillers， and B-PDA-G/PDMS flexible thermally conductive and insulating films with different filler contents were prepared by hot-pressing method after surface modification of the hybridized fillers by polydopamine （PDA） and mixing with polydimethylsiloxane （PDMS） matrix. Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） and scanning electron microscopy （SEM） were used to investigate the effects of filler B-PDA-G and single BN on improving the thermal conductivity of PDMS membrane materials and to assess the feasibility of their application in the textile field. The results show that the B-PDA-G/PDMS composite membranes can maintain good mechanical properties， electrical insulation and thermal conductivity at low filler filling. When the mass ratio of BN to GNPs is 5∶5 and the mass fraction of filler is 30%， the in-plane thermal conductivity of B-PDA-G/PDMS can reach up to 7.63 W/（m ·K）， which is 2.8 times and 27.3 times higher compared to BN/PDMS materials and pure PDMS materials， respectively.

By coating the flexible thermally conductive and insulating composites into the electrothermal fabric as the encapsulation coating， it is found that B-PDA-G/PDMS has better heat transfer and dissipation ability compared with BN/PDMS at the safe heating temperature of human body， which demonstrates its broad application prospect in smart wearable products.

Keywords： surface modification; polydimethylsiloxane （PDMS）; polydopamine （PDA）; thermal conductivity and insulation; thermal management

收稿日期：2023-09-20 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-11-22

基金項(xiàng)目：教育部科技發(fā)展中心產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2021DZ020）

作者簡(jiǎn)介：程春芬（1997—），女，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事功能紡織品及熱管理材料方面的研究。

通信作者：夏兆鵬，E-mail：xia_zhaopeng@163.com