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  通過外場輔助的方法在高分子基體內(nèi)構(gòu)筑有序納米結(jié)構(gòu)是在高分子特定方向上實現(xiàn)特殊功能的有效途徑，常見的方法有電場取向、磁場取向、剪切取向等。相比于剪切場，電場和磁場的施加方向較容易控制，可以制備各個方向的各向異性復(fù)合材料，尤其是在制備垂直于薄膜平面方向的取向材料方面具有明顯優(yōu)勢，這也使得通過電場和磁場誘導(dǎo)粒子取向成為最具吸引力和應(yīng)用潛力的研究方向。納米粒子引入聚合物基體中在外場下可制備具有特殊介電、光學(xué)性能的納米復(fù)合膜。該類納米復(fù)合材料結(jié)合了聚合物良好的絕緣性質(zhì)和納米粒子的高介電常數(shù)，既具備較高的儲能能力，也擁有高分子柔韌性特質(zhì)，納米粒子所形成特殊結(jié)構(gòu)也賦予該類復(fù)合材料具有特殊的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于可穿戴、智能化的新型柔性超級電容器、傳感器等領(lǐng)域，同時滿足高儲能、低成本、小型輕量化、安全可靠等一系列因電子元件集成度提高而對高介電薄膜所提出的新要求。

  近日，青島科技大學(xué)張建明、陳玉偉等利用電場取向的技術(shù)制備了纖維素微纖在膜厚度方向（“Z”方向）取向排列的柔性高分子復(fù)合膜材料。膜內(nèi)取向結(jié)構(gòu)的存在可以使材料的介電性能得到較大提升的同時賦予了材料光學(xué)上的各向異性。該復(fù)合膜的制備流程簡介如下：

  通過過硫酸銨法和銀鏡反應(yīng)制得表面鍍銀的微米級纖維素（SFCs），如圖1所示。SFCs與PDMS預(yù)聚體混合后利用外加電場控制粒子取向排列，隨后通過熱固化將這種取向結(jié)構(gòu)固定于復(fù)合膜中，制得內(nèi)部具有取向結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

圖1. “Z”方向取向的SFCs/PDMS復(fù)合膜的制備過程示意圖。

  經(jīng)電場制備的SFCs/PDMS復(fù)合膜中由于SFCs在“Z”方向的有序排列，能夠使材料的介電常數(shù)得到明顯提升，如圖2(c)所示，當(dāng)SFCs含量為10 wt%時，電場取向制得的復(fù)合膜的介電常數(shù)為38.59（10^-2Hz），而未經(jīng)電場取向制得的復(fù)合膜的介電常數(shù)僅為10.8，提高了3.6倍。SFCs在復(fù)合膜中沿“Z”方向取向排列后能夠使復(fù)合膜顯示出光學(xué)上的各向異性，取向所形成的光線通路能夠較大程度的通過垂直照射于復(fù)合膜表面的光線，對其它角度光線有阻隔作用。在高敏感觸摸防窺保護(hù)膜等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

圖2. (a) 柔性SFCs/PDMS復(fù)合膜示意圖：(b) 取向后SFCs/PDMS復(fù)合膜斷面掃描；(c) 經(jīng)電場未經(jīng)電場制備的SFCs/PDMS復(fù)合材料在不同SFCs含量下介電常數(shù)隨頻率的變化曲線；(d) SFCs/PDMS復(fù)合材料的光線入射角與透光率之間的關(guān)系。

  該課題為國家自然科學(xué)基金委資助課題，本項工作主要由青島科技大學(xué)青年教師陳玉偉和碩士生劉玉紅完成，通訊作者為青島科技大學(xué)陳玉偉老師、張建明教授、特拉華大學(xué)Kun Fu教授。相關(guān)成果近日以“Electric Field-Induced Assembly and Alignment of Silver-Coated Cellulose for Polymer Composite Films with Enhanced Dielectric Permittivity and Anisotropic Light Transmission”為題于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發(fā)表封面文章(DOI: 10.1021/acsami.0c03086)。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c03086