《Polymer》：Facile Melt Processing Preparation of BNNS Oriented Thermoplastic Polyurethane Composites with Thermal Conductivity, Gas Barrier Properties and Integrated Light Reflection
编辑推荐：
熔融共混与热压法制备了具有高导热性（1.38 W·m?1·K?1）、优异气体阻隔性（5.49 cm3·m?2·24 h?1·0.1 MPa?1）和光学性能（平均太阳反射率90.16%）的BNNS/TPU复合薄膜，通过剪切诱导原位剥离和层状结构定向排列实现热管理、气体阻隔与光学性能的协同提升，同时保持柔韧性和机械强度，提供了一种可工业化的多功能柔性材料制备策略。
班斌斌|于赫|张松超|马浩森|胡学清|杨玉明|周燕|刘向东
中国科学院长春应用化学研究所聚合物科学与技术国家重点实验室，中国长春 130022
摘要
有效的热管理对于柔性电子设备至关重要。本文开发了一种简便的熔融复合和热压方法，用于制备具有高度取向层状结构的BNNS/热塑性聚氨酯复合薄膜。剪切诱导的原位剥离和取向组装过程同时形成了连续的平面内热传导路径、曲折的气体扩散通道以及高效的光反射界面，从而实现了热导率、气体阻隔性能和光学性质的协同提升。
含有30 wt% BNNS的复合薄膜表现出1.38 W·m-1·K-1的高平面内热导率，显著降低了气体渗透率（5.49 cm3·m-2·24 h-1·0.1 MPa-1），并提高了平均太阳反射率至90.16%。同时，这些复合薄膜保持了良好的柔韧性和机械强度。这项工作为用于柔性热管理和封装的多功能聚合物复合材料提供了一种可扩展的策略。
引言
热积累被广泛认为是限制电子元件和聚合物基材料可靠性和使用寿命的主要因素。长时间暴露在高温下会加速材料老化，引发电路故障，最终导致设备寿命显著缩短。统计分析表明，芯片结温仅升高10-15 °C就几乎会使电子设备的故障率翻倍[1]、[2]、[3]。除了内部产生的热量外，户外或开放环境中的设备还会持续受到太阳辐射的影响，这进一步加剧了热积累并加速了材料的退化和失效过程[4]。因此，有效的热管理对于将元件保持在安全的工作温度范围内、降低故障概率以及确保长期运行稳定性至关重要。
从能效角度来看，随着全球向碳中和目标的推进，热管理变得越来越重要。在大型数据中心中，冷却系统占总电力消耗的40%[5]。因此，提高散热效率是一种直接且有效的策略，可以减少与冷却相关的能源需求并提升整体能源利用效率。
为了减轻太阳辐射引起的热积累，人们通过材料和结构设计进行了大量研究。被动冷却材料无需外部能量输入即可调节热交换，通过调整太阳反射率和中远红外热辐射来实现这一点。Raman等人[6]展示了在强太阳辐射下能够实现亚环境温度辐射冷却的聚合物薄膜。而Mandal等人[7]通过引入多孔聚合物结构将这一概念扩展到了柔性系统中。尽管取得了这些进展，但辐射冷却材料本质上依赖于表面介导的热散失，并存在几个局限性：(i) 产生的热量无法通过导电路径内部排出；(ii) 冷却性能对表面条件和环境因素非常敏感；(iii) 单位面积的散热能力相对有限，无法单独应对高热流[8]。
相比之下，基于聚合物的导热复合材料通过加入高导热填料来构建内部热传导路径，从而提供了一种更直接的解决方案，在电子封装和柔性器件应用中显示出明显优势。先前的研究表明，具有高长径比的片状或一维填料，尤其是在结合取向控制策略时，可以显著提高复合薄膜的平面内热导率[9]、[10]、[11]。然而，增加填料含量通常会带来填料聚集、加工性能下降和界面完整性受损等问题，这些难题难以同时解决[12]。
此外，对于用于封装和保护应用的聚合物材料而言，气体不渗透性是另一个关键要求。聚合物的固有气体渗透性会导致湿气和反应性气体的侵入，从而导致界面降解和设备长期稳定性降低。根据Nielsen提出的经典曲折路径模型[13]，高长径比的片状填料可以有效延长聚合物基质内的气体扩散路径。Azeem等人[14]报告称，随着BNNS含量的增加，CO2的渗透率降低了约82%，这归因于形成了阻碍气体直接渗透的延长扩散路径[15]。这些研究表明，合理控制填料的几何形状和空间排列可能实现热导率和气体阻隔性能的协同提升。近年来，在热导率和气体阻隔性能的协同设计方面取得了显著进展[16]。然而，要在不牺牲加工可行性的前提下实现这种多功能协同仍是一个重大挑战。
在无机导热填料中，h-BN因其高导热性、电绝缘性以及优异的热稳定性和化学稳定性而受到广泛关注，使其成为电子和柔性结构应用中热管理的有希望的候选材料[17]、[18]、[19]。其层状结构不仅促进了高效的热传输，还改变了聚合物基质内的气体扩散路径，从而提升了气体阻隔性能。然而，在实际加工过程中，强烈的层间相互作用会导致BN片状颗粒的聚集，阻碍了均匀分散和有效取向。为了解决这些问题，大多数报道的方法依赖于球磨、液相剥离或化学改性作为预处理步骤[20]、[21]、[22]。尽管这些方法通常会增加工艺复杂性、溶剂使用量和放大挑战，从而限制了它们的工业应用性。
在本研究中，通过简便的熔融复合和热压工艺制备了具有高度有序平面内层状结构的BNNS/TPU复合薄膜，使用的是未经改性的h-BN粉末。在熔融过程中，剪切力诱导了h-BN在TPU基质中的原位剥离和均匀分散，随后的热压处理使纳米片获得了精确的平面内取向。与依赖溶剂辅助剥离或复杂预处理的先前方法[23]相比，这种无溶剂、可扩展且时间效率高的方法（约30分钟）消除了复杂预剥离或化学改性的需要，解决了传统方法的关键放大限制。通过调节填料含量和加工条件，复合薄膜同时实现了提高的平面内热导率、改善的气体阻隔性能以及高效的被动辐射热调节，同时保持了良好的柔韧性和结构完整性。这项工作为多功能柔性热管理和封装应用提供了一个可行且适用于工业生产的材料平台。
六方氮化硼（h-BN）购自上海麦克林生化有限公司，按原样使用；热塑性聚氨酯（TPU）则购自万华化学集团有限公司。
BNNS/TPU复合薄膜是通过熔融复合和热压工艺制备的。根据h-BN的质量分数（0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%），精确称量TPU和h-BN。首先将TPU加入扭矩流变仪（XSS-300）中并加热至160 °C。
如图1所示，通过熔融复合和随后的热压工艺制备了具有高度取向层状结构的BNNS/TPU复合薄膜。在熔融混合过程中，扭矩流变仪内部产生的连续剪切场促进了h-BN逐渐剥离成较薄的BNNSs，同时实现了它们在熔融TPU基质中的均匀分散[24]。
总结来说，本研究提出了一种简便、可扩展且无溶剂的熔融加工方法，用于制备具有明确平面内取向层状结构的BNNS/TPU复合薄膜。与依赖溶剂辅助剥离或长时间球磨的传统方法相比，当前方法在30分钟内实现了BNNS的原位剥离和取向，大大提高了效率和工业潜力。更重要的是，这种取向结构使得...
周燕：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据分析。
杨玉明：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据分析。
班斌斌：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、方法学研究、数据分析、概念构思。
刘向东：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者衷心感谢国家重点研发计划（2024YFB3713105）的财政支持。
作者衷心感谢聚合物科学与技术国家重点实验室自筹项目（2025PST-ZZ-03）的财政支持。
