西北工业大学周永存团队ACS APM综述：生物基导热高分子复合材料的研究进展与展望

1.综述背景

随着科学技术的进步和市场的多样化需求，电子元件的发展集中在集成化、微型化、精密化等几个方面。与此同时，这些电子元件产生的热量也在迅速增加，过多的热量聚集会影响设备的性能和使用寿命。因此，开发高导热材料成为解决这一问题的有效途径，具有广阔的应用前景。

多年来，聚合物基高导热复合材料以其良好的绝缘性能、低密度、低成本、制备工艺简单、易于工业化、线膨胀系数低等优点，已成为新一代电子封装材料中发展最快、市场占有率最高的材料。然而，市场上常用的聚合物大多是高污染、高能耗的石油基材料，如聚丙烯、聚酰亚胺、环氧树脂等，这些材料大规模开发和利用所带来的食品安全问题、传染病与热相关疾病、能源匮乏以及环境污染等问题正在逐渐加剧，引起了社会的广泛关注。作为一种绿色、低碳、环保和资源节约型替代材料，生物基高导热材料有望成为热管理领域的未来发展方向。

近日，西工大周永存团队受邀发表了一篇题为《Development and perspectives of bio-based thermal conductive polymer composites》的综述，对生物基高导热复合材料领域进行了归纳总结，重点介绍了生物基高导热复合材料的制备工艺、导热改性和应用前景。最后，文章还讨论了该领域当前存在的问题，并展望了可能面临的挑战和机遇，为研究和开发新一代生物基高导热复合材料提供了思路。研究生杨晨艺是论文的第一作者，西工大是第一作者单位，该工作得到了国家自然科学基金和陕西省重点研发计划等项目的支持。

图1 生物基高导热复合材料研究进展总结。

2.综述内容

生物基高导热复合材料的研究起步较晚，对导热机理的解释尚不完善，导热网络的构建也未完全形成，因此生物基复合材料的导热性能仍有待进一步提高。这篇综述以生物基高导热材料的制备与应用、研究成果和工业应用为重点，全面总结了生物基聚酯、生物基环氧树脂、生物基纤维和生物基玻璃体作为复合材料基体时的来源、制备和导热改性过程，旨在为制备具有优异导热性能的生物基复合材料提供有效参考。此外，文章还探讨了高导热复合材料的工程应用，并客观分析和预测了生物基高导热复合材料的发展现状。一些生物基材料具有良好的生物相容性，且大多可生物降解，使用后可被自然界中的微生物分解，最终转化为二氧化碳和水，有助于减少环境污染。它们有望部分甚至完全取代高污染、高耗能的石油基材料，为缓解能源资源枯竭和日益严峻的环境问题指明了方向。

图2 近些年典型的全生物基聚酯及聚乳酸基高导热复合材料商业化及发展历程。

这篇综述对近年来生物基高导热复合材料的最新研究进行了分析与总结，从生物基体的角度逐个分析研究，对读者深入理解材料的内部导热机制大有裨益，为制备复合材料提供了有效的参考，从过去几年的近两百篇研究论文中选取了重点内容，勾勒出生物基高导热复合材料的发展路线图。

图3 EP/GNP热传导器件模型及PAPy-CO/NY-Ag反应机理。

以环氧树脂为例，目前市场上常见的环氧树脂为双酚A型环氧树脂。然而双酚A是一种从石油化工中提取的原料，其大规模生产并不符合绿色环保生产的要求，它会与雌激素、雄激素、甲状腺激素等受体相互作用，对人体的生殖系统、神经系统、新陈代谢等产生负面影响，对人体免疫力和后代的成长也会产生负面影响。因此，为了满足社会和聚合物行业可持续发展的需求，并在使用时保护人们的健康，用可再生生物质资源替代化石资源制备生物基聚合物材料显得尤为重要。

图4 电子元器件的电热流场分布、双取向网络的形态结构及CB/EP复合材料的热性能。

生物基高导热复合材料除了具有聚合物基复合材料柔韧性好、密度低、绝缘性能优异、耐腐蚀、易加工等优点外，还具有独特的可再生性和可降解性。生物基高导热复合材料的快速发展，不仅可以缓解因过度使用石油基材料而造成的资源匮乏和环境污染问题，还能为设备的热管理提供有效途径。文章总结了生物基高导热聚合物复合材料在先进电子封装、储能设备、LED 设备、个人热管理、航空航天等工业领域的新型应用。

3.总结与展望

我国“双碳”目标正逐步推进，生产和制备可再生、可循环的生物基材料，逐步替代甚至完全替代高污染、高耗能的石油基材料，符合绿色发展的要求。生物基高导热材料包括生物基聚酯、生物基纤维、生物基环氧树脂和生物基玻璃体等。多以生物质为原料，如木材、纤维素、壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝、天然橡胶、草和木纤维等，通过表面改性、化学改性和共混改性等方法，在提高导热性能的同时改善其固有性能问题。通过适度添加导热填料，生物基高导热复合材料可体现出优异的综合性能，具有广阔的应用前景和巨大的价值空间。