生物基熱固性樹脂以可再生資源為主要原料，它們的規(guī)?；瘧檬菍崿F(xiàn)熱固性樹脂及復合材料可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。與石油基熱固性樹脂一樣，它們在固化交聯(lián)之后，同樣面臨難降解、難回收的問題。實現(xiàn)生物基熱固性樹脂的高價值回收利用對當前低碳、環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義?！ ?/span>
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型熱固性樹脂團隊劉小青研究員基于多年的生物基熱固性樹脂研究經(jīng)驗，提出開發(fā)生物基材料的本質(zhì)是為了實現(xiàn)對生物碳的高效利用?；诖?，團隊利用激光燒蝕的方法，將生物基熱固性樹脂轉(zhuǎn)化為功能性碳材料，擬完成從“生物碳”到“生物基樹脂”再到“功能碳”的閉環(huán)轉(zhuǎn)化?！ ?/span>
首先，基于苯并噁嗪樹脂高成炭率的優(yōu)勢，團隊利用紅外激光光刻技術(shù)實現(xiàn)了從生物基苯并噁嗪樹脂到多孔石墨烯材料的高附加值、低成本轉(zhuǎn)化。相較于其它樹脂前驅(qū)體材料，苯并噁嗪樹脂制備的多孔石墨烯材料展現(xiàn)出極高的比表面積以及導電性，同時苯并噁嗪樹脂基底極強的耐化學能力也保證了這類可圖案化制備的石墨烯材料在苛刻環(huán)境下的使用穩(wěn)定性。
為了進一步突出生物基苯并噁嗪樹脂作為前驅(qū)體的優(yōu)勢，團隊利用苯并噁嗪單體的高流動性特征，以金屬有機化合物/苯并噁嗪樹脂為碳源，開發(fā)了一種新穎的無溶劑制備金屬氧化物納米顆粒均勻負載多孔石墨烯材料的方法。整個制備過程周期短，安全環(huán)保。得益于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的電性能和磁性能，所制備的雜化材料展現(xiàn)出出色的絕對電磁屏蔽效率；同時，這類雜化材料作為吸附劑在水處理中也展現(xiàn)出良好的應用前景。但是，這種通過激光輻照在樹脂表面生成的多孔石墨烯材料在走向?qū)嶋H應用時，受制于樹脂本身性能的限制。為此，團隊提出了一種全新的分離策略，即利用樹脂基底與碳材料熱膨脹系數(shù)的差距，以液氮作為淬冷劑，實現(xiàn)兩者的快速分離，得到在結(jié)構(gòu)和性能上具有高保留完整度的獨立自支撐多孔石墨烯膜?！ ?/span>
激光加工參數(shù)可控、路徑可調(diào)等特點可進一步賦予了功能碳材料多樣性設計制備的優(yōu)勢。受自然界中具有極高太陽光利用效率的針葉森林結(jié)構(gòu)啟發(fā)，團隊通過碳材料多級結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功構(gòu)建了一種由多孔石墨烯“樹”密排列成的三維石墨烯薄膜。這種獨特的多級結(jié)構(gòu)使得入射光在“樹”之間以及“樹枝”之間進行多次反射，顯著減小了石墨烯的光反射。結(jié)合石墨烯本身的光熱特性，F(xiàn)orest-like LIG在太陽光全波長范圍內(nèi)具有高達99.0%的光吸收率以及優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能（在一個太陽光強度的氙燈照射下平衡溫度達到90.7 ± 0.4 ℃）。同時因為Forest-like LIG獨特的化學性質(zhì)及表面微納結(jié)構(gòu)，材料表現(xiàn)出超疏水性能?；谶@兩種特性，團隊開發(fā)出具有快速驅(qū)動響應和高運動速度的光熱驅(qū)動器以及具有持久抗鹽性能和高太陽能蒸發(fā)效率的雙層太陽能界面海水淡化膜，揭示了Forest-like LIG在光熱領域巨大的應用潛力?！ ?/span>
借助激光掃描路徑可控的優(yōu)勢，團隊設計制備了圖案化石墨烯復合材料并探究了其在熱管理領域的應用。通過重復激光處理，石墨烯的質(zhì)量大幅度提高，同時多孔結(jié)構(gòu)得以保留；填充樹脂后，所制備復合材料的導熱系數(shù)可以達到8.2 W/(m·K)，與純樹脂相比提高了近45倍。通過圖案化設計，復合材料的熱量傳遞具有明顯的方向性，并且展現(xiàn)出良好的散熱效果。此外，基于石墨烯優(yōu)異的電熱性能，團隊還提出可設計性圖案化加熱器，其中每個加熱單元的電熱性能可以通過調(diào)整激光參數(shù)進行定制。這為模擬電子設備中非均勻熱源的真實情況提供了獨特的機會，將有助于散熱系統(tǒng)的設計和開發(fā)。這種激光加工制造工藝可以在局部和任何區(qū)域添加功能特性，并不會對基底造成過度損害而影響結(jié)構(gòu)完整性，為多功能結(jié)構(gòu)一體化復合材料的設計和制備提供了一種選擇可行性?！?/span>
最近，團隊通過簡單調(diào)控激光掃描模式，設計制備了圖案化超潤濕石墨烯表面，實現(xiàn)了高效的能源利用和轉(zhuǎn)換。團隊利用激光光柵掃描和矢量掃描兩種模式，構(gòu)建了不同的超潤濕石墨烯表面，即具有多孔石墨烯結(jié)構(gòu)的超親水表面和具有石墨烯顆粒覆蓋微柱陣列結(jié)構(gòu)的超疏水表面。通過設計圖案化超潤濕性表面，形成毛細管力梯度，成功地將表面能轉(zhuǎn)化為液體動能，從而實現(xiàn)水的定向、無泵輸送以及電子器件的局部冷卻。此外，得益于其獨特的陣列結(jié)構(gòu)，LSHB表面具有出色的機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。同時，結(jié)合石墨烯本身的電熱和光熱特性，LSHB表面還表現(xiàn)出優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換性能?；谝陨咸卣?，LSHB材料在防結(jié)冰和除冰中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
（來源：寧波市科技局）
