Enhancing Thermal Transport in Polymeric Composites via Engineered Noncovalent Filler-Polymer Interactions

复合材料 填料(材料) 材料科学 聚合物 热的 物理 气象学
作者
Yijie Zhou,Dina Hertog-Raz,Saqlain Raza,Josh Transtamar,Benjamin Abarca,Yangyang Wang,Jun Liu,Yanfei Xu
标识
DOI:10.1115/1.4067734
摘要

Abstract Understanding thermal transport mechanisms in polymeric composites allows us to expand the boundaries of thermal conductivity in them, either increasing it for more efficient heat dissipation or decreasing it for better thermal insulation. But, these mechanisms are not fully understood. Systematic experimental investigations remain limited. Practical strategies to tune the interfacial thermal resistance (ITR) between fillers and polymers and the thermal conductivity of composites remain elusive. Here, we studied the thermal transport in representative polymer composites, using polyethylene (PE) or polyaniline (PANI) as matrices and graphite as fillers. PANI, with aromatic rings in its backbone, interacts with graphite through strong noncovalent p-p stacking interactions, whereas PE lacks such interactions. We can then quantify how p-p stacking interactions between graphite and polymers enhances thermal transport in composites. PE/graphite and PANI/graphite composites with the same 1.5% filler volume fractions show a ~22.82% and ~34.85% enhancement in thermal conductivity compared to pure polymers, respectively. Calculated ITR in PE/graphite and PANI/graphite are ~6 × 10-8 m2 KW-1 and ~1 × 10-8 m2 KW-1, respectively, highlighting how p-p stacking interactions reduce ITR. Molecular dynamics simulations suggest that p-p stacking interactions between PANI chains and graphite surfaces enhance alignments of PANI's aromatic rings with graphite surfaces. This allows more carbon atoms from PANI chains to interact with graphite surfaces at a shorter distance compared to PE chains. Our work indicates that tuning the p-p stacking interactions between polymers and fillers is an effective approach to reduce the ITR and enhance the thermal conductivity of composites.
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