夏成文 吳曉芬 劉學(xué)超 楊振興 于東明

(1.天津市新型塑料管材企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津, 301701;2.天津軍星管業(yè)集團(tuán)有限公司，天津, 301701)

高熱導(dǎo)率聚乙烯/石墨復(fù)合材料的研究

夏成文1,2吳曉芬1,2劉學(xué)超1,2楊振興1,2于東明2

(1.天津市新型塑料管材企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津, 301701;2.天津軍星管業(yè)集團(tuán)有限公司，天津, 301701)

采用自制增容劑結(jié)合鈦酸酯偶聯(lián)劑對石墨表面進(jìn)行處理，并與高密度聚乙烯(HDPE)熔融共混制備HDPE/石墨復(fù)合材料。研究了基體樹脂、偶聯(lián)劑、增容劑及石墨粒徑和含量對HDPE/石墨復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)、微觀形態(tài)及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：基體樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)越大越有利于體系導(dǎo)熱系數(shù)的提高;增容劑的加入改善了復(fù)合材料的相容性;隨著石墨粒徑的增大，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高,但其力學(xué)性能變差；復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨含量的增大而上升。

聚乙烯 石墨 導(dǎo)熱系數(shù) 復(fù)合材料

大多數(shù)塑料耐腐蝕，但熱導(dǎo)率低，直接用于換熱工程時(shí)傳熱效率很低，因此，提高塑料的熱導(dǎo)率具有重要意義[1]。目前提高塑料導(dǎo)熱性能的途徑有2種:采用高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)構(gòu)的聚合物,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等;通過高導(dǎo)熱無機(jī)物對聚合物進(jìn)行填充,制備聚合物/無機(jī)物導(dǎo)熱復(fù)合材料。具有高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)構(gòu)的聚合物價(jià)格昂貴,填充制備導(dǎo)熱聚合物是目前廣泛采用的方法[2]。聚合物與高導(dǎo)熱填料共混制得的導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料，與金屬材料相比具有耐腐蝕、抗結(jié)垢、質(zhì)量輕、易于加工、成本較低和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料作為新的替代材料越來越引起人們的關(guān)注[3]。目前具有應(yīng)用價(jià)值的導(dǎo)熱聚乙烯管已研制成功，它保留了聚乙烯的主要性能特點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)提高了50%～100%。下面主要研究偶聯(lián)劑、增容劑及石墨粒徑和含量對高密度聚乙烯(HDPE)/石墨復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)、微觀形態(tài)及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

HDPE，YGH041，中石化上海石油化工股份有限公司；鱗片石墨，4～15 μm，青島恒利得石墨有限公司；鈦酸酯偶聯(lián)劑，NDZ-101，南京曙光化工集團(tuán)有限公司；馬來酸酐接枝聚乙烯，天津軍星管業(yè)集團(tuán)有限公司。

平板硫化機(jī)，XLB，青島信本科技有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta200，荷蘭FEI公司；熱傳導(dǎo)分析儀，TPS2500，瑞典凱戈納斯有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，南京永杰化工機(jī)械有限公司。

1.2 樣品制備

采用HDPE作為基體樹脂，鱗片石墨作為導(dǎo)熱填料，鈦酸酯作為表面處理劑，將HDPE與鈦酸酯按質(zhì)量比100/1在高速混合機(jī)攪拌1 min，加入不同含量的石墨再攪拌2 min，然后用雙螺桿擠出機(jī)共混擠出。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

導(dǎo)熱性能按照ISO 22007.2—2008測試，樣品規(guī)格為20 mm×20 mm×(1.5～5.0)mm；力學(xué)性能按照GB/T 1040—1992測試，拉伸速度為5 mm/min。

SEM觀察：將材料的拉伸斷面切下，表面噴金后用SEM觀察其形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨含量對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖1是石墨含量對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)影響。

由圖1可以看出，隨著石墨添加量的增加，HDPE復(fù)合材料體系的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。

2.2 界面處理

分別采用白油和丙酮稀釋鈦酸酯偶聯(lián)劑用于對石墨進(jìn)行表面處理，處理后的石墨與HDPE進(jìn)行塑化熔合，HDPE/石墨質(zhì)量比為100/25。

圖2和圖3分別是丙酮/鈦酸酯質(zhì)量比10/1和白油/鈦酸酯質(zhì)量比1/1處理石墨/HDPE的SEM照片。

由圖2、圖3可以看出，2幅掃描電鏡照片基本相近，石墨鱗片與HDPE相的界線較清晰，且存在明顯的間隙。說明稀釋劑不論采用丙酮或是白油，經(jīng)鈦酸酯偶聯(lián)劑處理的石墨與HDPE相容效果較差，導(dǎo)致2種配比制備的復(fù)合材料力學(xué)性能較差，其斷裂伸長率僅為7%～8%，沖擊強(qiáng)度為15～17 kJ/m2。進(jìn)一步表明，僅僅對石墨表面采用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理是不夠的。

2.3 增容劑的應(yīng)用

圖4是HDPE/處理石墨/增容劑復(fù)合材料的SEM照片。

從圖4可以看出，多數(shù)石墨鱗片與HDPE基體之間界面模糊，說明加入增容劑提高了復(fù)合材料的相容性。

2.4 石墨粒徑對復(fù)合材料性能的影響

表1是石墨粒徑對復(fù)合材料性能的影響，其中石墨添加量33份。

從表1可以看出，隨著石墨粒徑增大，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高，但其力學(xué)性能不佳。

3 結(jié)論

a) 隨著石墨添加量的增加，HDPE/石墨復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高。

b) 對于HDPE/石墨復(fù)合材料，鱗片石墨的表面僅僅采用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理，增容效果并不理想，添加增容劑后復(fù)合材料的相容性明顯改善。

c) 石墨粒徑越大，HDPE/石墨復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，但其力學(xué)性能越差。

[1] 馮毅，李云翔，梁滿兵. 填充型導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率分析[J]. 塑料工業(yè), 2007,35(6):250-251.

[2] 李麗，王成國.導(dǎo)熱塑料的研究與應(yīng)用[J]. 高分子通報(bào), 2007,(7):25-31.

[3] 董其伍，劉琳琳，劉敏珊. 預(yù)測聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)方法研究進(jìn)展[J].材料工程,2009,(3):78-81.

3D打印用的含有天然纖維增強(qiáng)PLA

據(jù)“www.ptonline.com”報(bào)道，德國的生物塑料混煉商FKuR、先進(jìn)3D打印材料的供應(yīng)商、美國辦事處在德克薩斯州雪松公園與荷蘭的Helian聚合物公司聯(lián)合開發(fā)出用FDM(熔融沉積成型)添加生產(chǎn)工藝制備的天然纖維增強(qiáng)PLA 3D打印材料。

荷蘭Colorfabb產(chǎn)品系列(該產(chǎn)品系列有各種顏色的3D打印材料)的供應(yīng)商最近開發(fā)的材料，命名為woodFillFine和BambooFill。woodFillFine和BambooFill 3D打印材料最大的分銷商在加利福尼亞州森林MatterHackers。與傳統(tǒng)的木材相比，據(jù)說新型纖維增強(qiáng)PLA 3D打印材料的制件給人有獨(dú)特的木質(zhì)外觀及與眾不同的感覺，沒有設(shè)計(jì)限制。

(由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

杜邦擴(kuò)大在亞太地區(qū)的應(yīng)用開發(fā)能力

據(jù)“www.plasticstoday.com”報(bào)道，為加強(qiáng)應(yīng)用程序開發(fā)能力，杜邦在亞太地區(qū)的性能聚合物技術(shù)和研發(fā)中心提高了三維吸吹成型和注塑產(chǎn)能。

日本宇都宮市技術(shù)中心新的三維吸吹塑成型生產(chǎn)能力將有利于杜邦協(xié)調(diào)發(fā)展，并推動(dòng)汽車渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)道開發(fā)。杜邦已經(jīng)開發(fā)出企業(yè)內(nèi)部模擬工具來預(yù)測模具中的三維吸氣過程和管扭曲情況，以幫助確保均勻壁厚。這項(xiàng)投資和該公司獨(dú)特的三維吸吹成型模擬軟件在無需物理樣機(jī)的情況下幫助客戶優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)。

除此，杜邦在中國的研發(fā)中心新增了450 t注塑機(jī)和新設(shè)立了杜邦上海創(chuàng)新中心，從而提升其區(qū)域能力，為汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品客戶帶來創(chuàng)新成果的快速市場轉(zhuǎn)化能力并提高經(jīng)濟(jì)性。該450 t注塑機(jī)將為設(shè)計(jì)工程師提供薄壁成型的手持設(shè)備，測試工具，優(yōu)化加工工藝，原型開發(fā)和利用先進(jìn)的CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)進(jìn)行各向異性特性表征。

英國頒布塑料制品回收議案

據(jù)“www.britishplastics.co.uk”報(bào)道，“塑料工業(yè)回收行動(dòng)計(jì)劃”(PIRAP)為塑料包裝供應(yīng)鏈的行動(dòng)提供了一個(gè)合作戰(zhàn)略，通過開發(fā)有彈性、可持續(xù)的英國塑料回收部門，實(shí)現(xiàn)了英國政府到2017年實(shí)現(xiàn)57%的塑料包裝回收的目標(biāo)。

PIRAP強(qiáng)調(diào)一些改進(jìn)的領(lǐng)域發(fā)展塑料回收料的終端市場，提高收繳率，采用最佳的收集方法，優(yōu)化排序的基礎(chǔ)設(shè)施和完善的設(shè)計(jì)。

( 以上由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

杜雪娟供稿)

Study on High Thermal Conductivity of Polyethylene/Graphite Composites

Xia Chengwen1,2Wu Xiaofen1,2Liu Xuechao1,2Yang Zhenxing1,2Yu Dongming2

(1. Tianjin Enterprise Key Laboratory of New Type Plastic Pipe, Tianjin, 301701;2. Tianjin Junxing Pipe Industry Group Co., Ltd. , Tianjin, 301701)

The composites of high density polyethylene (HDPE)/graphite were prepared through blending HDPE with surface treated graphite by self-made compatibilizer and titanate coupling agent. Effects of matrix resin, coupling agent, compatibilizer and graphite particle size and its content on thermal conductivity, microstructure and mechanical properties of composites were studied. The results show that the higher thermal conductivity of matrix resin contributes to enhancing the system’s thermal conductivity. Compatibilizer improves compatibility of the system. With the increasement of graphite particle size, the thermal conductivity of composites is greatly improved, but the mechanical properties of the composites become poor. The thermal conductivity of the composites increases with the increasing content of graphite.

polyethylene；graphite；thermal conductivity；composites

2015-03-09;修改稿收到日期:2015-06-20。

夏成文(1959—)，男，高級工程師，主要從事功能型聚烯烴樹脂、高分子復(fù)合材料的加工和應(yīng)用等研究。E-mail:253861016@qq.com。