经过设计的含共价功能基团的微纤化纤维素/单壁碳纳米管层状材料的热电与电磁性能

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Thermoelectric and electromagnetic performance of engineered covalent functionality microfibrillated cellulose/single-wall carbon nanotube buckypapers

　　

摘要

纤维素表面化学性质能够独立于填充剂含量来控制单壁碳纳米管纸复合材料的塞贝克系数，这使得在不损失热电性能的情况下部分替代导电相成为可能。微纤化纤维素先通过柠檬酸、3-三甲氧基硅丙基甲基丙烯酸酯和4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯进行共价功能化处理，再通过聚乙二醇进行物理改性，随后与单壁碳纳米管以0.1至90重量百分比的比例混合。当单壁碳纳米管的含量为70至90重量百分比时，含有Cell-MDI的复合材料所产生的功率因子为101至111微瓦/米?1·开尔文?2，这一数值与纯单壁碳纳米管纸的106微瓦/米?1·开尔文?2相当，即便有10至30重量百分比的导电相被纤维素替代。无论单壁碳纳米管的含量如何，含有Cell-MDI的复合材料的塞贝克系数始终在46至52微伏/开尔文?1之间，而纯纤维素复合材料的塞贝克系数则在23至45微伏/开尔文?1之间，且没有明显变化。溶剂交换实验表明，这种稳定性源于共价脲键的功能化作用；真空干燥则使1重量百分比单壁碳纳米管复合材料的塞贝克系数上升至70.4微伏/开尔文?1。柠檬酸处理的纤维素复合材料具有最高的导电性（62千西门子/米?1），同时塞贝克系数较低（19至30微伏/开尔文?1），这表明其中存在额外的p型掺杂；3-三甲氧基硅丙基甲基丙烯酸酯处理则没有显示出明显的电子效应，这说明发生了相分离；聚乙二醇处理则能使复合材料转变为N型（60重量百分比时为-27微伏/开尔文?1），同时导电性也会下降。当复合材料的浓度超过渗透阈值时，其在8至37吉赫兹频率范围内的电磁屏蔽效果可达到30分贝。一个概念验证用的8耦合Cell-MDI/Cell-PEG模块在约30开尔文的温度梯度下能够产生10毫伏的开路电压，从而证明了薄膜形式下的热电转换可行性。