一种基于调控CNC/CNF的导热复合薄膜材料及其制备方法

本发明属于纸基功能材料与导热高分子复合基体，具体涉及一种基于调控cnc/cnf（纤维素纳米晶/纤维素纳米纤维）的导热复合薄膜材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g通信、物联网等领域的快速发展，电子设备正朝着小型化、集成化和高功率密度方向演进。这一趋势导致设备内部单位面积的热流密度急剧增加，而散热空间却日益受限。从而会导致设备运行过程中产生的热量若无法及时散出，严重影响运行带来安全隐患。传统提升复合材料导热性能的策略主要依赖于向聚合物基体中添加高导热填料（如氮化硼、氧化铝、碳材料等）。然而，当外源填料高量引入时，常导致体系力学柔韧性恶化，且填料与聚合物基体之间固有的声子振动阻抗失配会产生巨大的界面热阻，严重制约复合材料整体热导率的进一步提升。传统的合成聚合物基体由于自身分子链排列无规则、本征热导率极低，通常低于0.2 w/m·k，已成为限制整体散热性能突破的根本瓶颈。因此，开发具有高本征热导率的新型绿色高分子基体，是从本质上提升热管理材料散热潜力的关键方向。

2、纳米纤维素由于具备高度有序的共价骨架，理论上具有极高的本征声子弹道输运潜力。然而，在现有的bottom-up（自下而上）组装体系中，研究人员通常陷入“唯结晶度论”的传统误区，盲目追求高结晶度的纤维素纳米晶（cnc）。由于cnc单体天生具备强刚性与短棒状离散特征，在缺乏柔性链过渡桥接的情况下进行盲目堆积，必然在宏观薄膜内部引入密密麻麻的错配晶界与相界面缺陷。这些孤立晶界导致高频声子发生严重的非保守散射，产生极高的界面热阻，导致材料的实际宏观热导率远低于预期。另一方面，完全由高聚合度长链纤维素纳米纤维（cnf）构成的薄膜，虽具备连续骨架，但由于无序缠结严重，体系内部含有大量的无定形区与旁晶无序，同样严重降低了声子的平均自由程。因此，如何在无需外源填料的前提下，打破“全结晶区即高导热”的固有范式，在刚柔共组装路径中精准缝合离散晶界，构筑长程连续且空间取向一致的本征高导热声子通道，是目前生物质热管理材料领域亟待解决的瓶颈科学问题。

3、目前，虽然已有将纳米纤维素作为增强相或功能填料与合成高分子共混以改善力学或导热性能的尝试，但专注于利用纳米纤维素二元底物进行高效共组装，通过外在工艺路径调控界面超分子化学键合空间矢量对齐以系统提升本征导热的工作仍较为缺乏。目前的化学机械成膜或涂布工艺设计，均仅是从软化木片、降低能耗或强化药液渗透的角度考虑，从来没有设置近平衡态缓速脱水以调控晶甲基团各向异性排布的工序。

技术实现思路

1、本发明解决的第一个技术问题是提供一种基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，该方法艺简单、绿色环保，通过精确调控cnc与cnf的复合比例，能够有效优化薄膜内部的多尺度有序结构，从而显著提升其本征导热性能；本发明要解决的第二个技术问题是提供一种基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料，该薄膜不仅具有优异的本征热导率，还保持了纤维素材料固有的高电绝缘性、良好力学性能及可降解特性；本发明要解决的第三个技术问题是提供该cnc/cnf复合的导热薄膜在制备导热散热材料、绝缘封装材料、绿色热界面材料中的应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，将cnc与cnf进行复合，经均匀分散、真空除气、成型干燥后制得导热复合薄膜材料；其中，所述cnc与cnf的质量均不为0。

4、进一步地，所述cnc与cnf的质量比为0:100~100:0。

5、进一步地，所述cnc与cnf的质量比为60:40~10:90。

6、进一步地，所述cnc与cnf的质量比为40:60。

7、进一步地，所述cnc与cnf复合体系的总固含量为0.1wt%~1.0wt%；所述cnc的长度为100~200 nm，cnf的长度为1~3 μm。

8、进一步地，均匀分散的搅拌速度为300~600 rpm，时间为30~60 min；真空除气的时间为15~30 min；干燥温度为30~45 ℃，干燥时间为72~96h；压平处理在室温下进行，压力为0.5~1 mpa，保压时间为12~24h。

9、进一步地，所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法制备得到的导热复合薄膜材料。

10、进一步地，所述导热复合薄膜材料的厚度为70~287 μm。

11、进一步地，所述导热复合薄膜材料的热扩散系数为2~4 mm2/s，比热容为1~2 j/g·℃，密度为0.8~1.2 g/cm3。

12、进一步地，所述的导热复合薄膜材料在电子设备散热或热界面材料中的应用。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、（1）本发明通过构建cnc/cnf二元复合体系，利用cnc的高结晶性提供声子传输通道，cnf的长纤维作为结构骨架构建连续导热网络，两者协同优化了薄膜内部的结晶排列、氢键网络与界面结合，从而在分子尺度上减少了声子散射，显著提升了材料的本征热导率。

15、（2）本发明原创性地利用pcda近平衡态缓速脱水工艺构筑定向声子桥，目前的化学机械成膜或纸浆热压工艺，均仅是从软化木片、降低能耗或强化药液渗透的角度考虑，从来没有设置近平衡态缓速脱水以调控纤维素结构各向异性排布的工序。本发明通过严格限制蒸发速率，成功将外在干燥路径转化为微观毛细管限域力，抹去了竞争性水桥，迫使高能位点的c6-oh羟基发生原子级空间占位调整与面内对齐落锁，将宏观热通路曲折度一举斩断至9.50。

16、（3）本发明通过系统调控cnc/cnf配比，明确了复合比例与薄膜微观结构及导热性能之间的内在联系，实现了导热性能的优化，为高性能纤维素基导热材料的开发提供了理论依据与工艺基础。

17、（4）本发明所制得的复合薄膜无需添加任何无机金属或陶瓷导热填料，完全保留了天然纤维素材料固有的超高电绝缘性、轻质、高机械强度与可生物降解特性，原料来源极广，属于下一代高散热、柔性、绿色热界面材料（tim）的产业化颠覆性创新。

1.一种基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，将cnc与cnf进行复合，经均匀分散、真空除气、成型干燥后制得导热复合薄膜材料；其中，所述cnc与cnf的质量均不为0。

2.根据权利要求1所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述cnc与cnf的质量比为0:100~100:0。

3.根据权利要求2所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述cnc与cnf的质量比为60:40~10:90。

4.根据权利要求3所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述cnc与cnf的质量比为40:60。

5.根据权利要求1所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述cnc与cnf复合体系的总固含量为0.1wt%~1.0wt%；所述cnc的长度为100~200 nm，cnf的长度为1~3 μm。

6.根据权利要求1所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：均匀分散的搅拌速度为300~600 rpm，时间为30~60 min；真空除气的时间为15~30 min；干燥温度为30~45 ℃，干燥时间为72~96h；压平处理在室温下进行，压力为0.5~1 mpa，保压时间为12~24h。

7.权利要求1~6所述的基于调控cnc/cnf的导热复合薄膜材料的制备方法制备得到的导热复合薄膜材料。

8.根据权利要求7所述的导热复合薄膜材料，其特征在于：所述导热复合薄膜材料的厚度为70~287 μm。

9.根据权利要求7所述的导热复合薄膜材料，其特征在于：所述导热复合薄膜材料的热扩散系数为2~4 mm2/s，比热容为1~2 j/g·℃，密度为0.8~1.2 g/cm3。

10.权利要求7所述的导热复合薄膜材料在电子设备散热或热界面材料中的应用。