[发明专利]一种新型有机-无机杂化片状Janus导热填料及其制备方法

说明书

本发明公开一种有机‑无机杂化片状Janus导热填料及其制备方法，主要在二氧化硅Janus片两侧，分别沉积导热金属纳米粒子和接枝有机分子。与有机分子改性无机填料形成的均质材料相比，Janus填料特有优势体现在：导热无机粒子密集沉积于填料一侧，彼此充分接触，有利于局部范围内形成导热通路；有机分子接枝于填料另一侧，既可改善填料分散，又能保留导热粒子原有的导热能力；在与基体材料复合加工时，由于Janus填料的片状结构，尤其无机粒子在填料一侧沉积引起的面内外密度的不对称性，使Janus填料取向分布于聚合物基体中，并在低填充份数下构建导热网络，有效改善聚合物复合材料的导热性。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及到新型导热填料及其制备技术，特别涉及到一种两侧分别沉积导热无机粒子和改善填料与聚合物基体相容性的有机分子的片状Janus导热填料及其制备技术。

背景技术

高导热性能聚合物复合材料对航空航天、电子电气、医疗卫生等零部件的稳定性及寿命具有至关重要的作用，近年来其研究倍受瞩目。但聚合物大多为热的不良导体，聚合物导热主要通过填充无机导热材料实现，而导热系数高的无机填料(金属、碳材料、氮化物、碳化物、金属氧化物等)与聚合物基体相容性差，分散不均匀，导热通路形成困难、界面热阻大、导热效果不理想。尽管表面改性可有效改善填料在基体中的分散、但改性引起的表面缺陷会降低填料的本征热导率，改性在填料表面引入的有机层也不利于导热粒子之间的直接接触，导热效果不一定提升，仍需高份数填料加入，才能起到较好的导热效果。因此，发展新型填料、解决目前填料与填料之间的界面问题、填料与聚合物之间的界面问题，以及聚合物基体中导热网络构建问题，对发展高性能导热聚合物材料具有非常重要的意义。

Janus粒子是一类表面同时具有两种不同化学组成，并严格分区的新型粒子。对其表面进行选择性改性，不仅可实现聚合物分子链的引入，还可实现无机粒子的选择性沉积。其独特的化学性质两面性，可将无机的导热粒子和改善填料与聚合物基体相容性的有机分子合为一体，且严格分布于不同区间。尽管Janus粒子已在稳定乳液界面、光学、生物传感、药物输送和电子学等领域展现潜在的应用前景，但其作为导热填料的应用却未见报道。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术缺陷，充分利用Janus材料的结构优势，提供一种热导率高、填料分散性好、在聚合物基体中易于构建导热网络的新型填料——有机-无机杂化片状Janus导热填料；

本发明的目的之二在于提供一种将无机导热粒子和改善填料与聚合物基体相容性的有机分子集于一体，并严格分布于不同区间的片状Janus导热填料的制备方法；

本发明的目的之三在于充分利用Janus材料的结构特点，提供一种一面沉积无机材料、一面接枝有有机分子的选择性改性方法。

本发明的制备方法及技术原理是：针对Janus粒子两面具有不同物理化学性质的特点，通过物理沉积的方法，将导热的无机粒子经化学还原、密集沉积于片状粒子一侧，使导热粒子充分接触，实现局部范围内形成导热通路；利用Janus粒子另一侧的功能性基团，选择性进行化学改性，在填料另一侧接枝有机分子，以在不破坏导热粒子原有导热能力的基础上，改善填料的分散。Janus导热填料因其片状结构，尤其无机粒子在填料一侧沉积引起的面内外密度的不对称性，使其在与聚合物材料复合时，易于取向分布在聚合物基体中，从而有利于其在低填充份数下构建导热网络，极大地提高传热效率。

本发明涉及的有机-无机杂化片状Janus导热填料的制备方法包括以下步骤，如附图1所示：

1)将质量比为0.01～10％内侧带羟基、外侧带氨基的SiO₂中空球(SiO₂中空球的制备过程参阅文献，Angew.Chem.,Int.Ed.2011,50,2379)分散于去离子水中。中空球的尺寸为0.5～50μm，优选5～30m；壁厚为5～500nm，优选10～50nm；