夏成文 吳曉芬 劉學超 楊振興 于東明

(1.天津市新型塑料管材企業(yè)重點實驗室，天津, 301701;2.天津軍星管業(yè)集團有限公司，天津, 301701)

高熱導率聚乙烯/石墨復合材料的研究

夏成文1,2吳曉芬1,2劉學超1,2楊振興1,2于東明2

(1.天津市新型塑料管材企業(yè)重點實驗室，天津, 301701;2.天津軍星管業(yè)集團有限公司，天津, 301701)

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

聚乙烯 石墨 導熱系數(shù) 復合材料

大多數(shù)塑料耐腐蝕，但熱導率低，直接用于換熱工程時傳熱效率很低，因此，提高塑料的熱導率具有重要意義[1]。目前提高塑料導熱性能的途徑有2種:采用高導熱系數(shù)結(jié)構(gòu)的聚合物,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等;通過高導熱無機物對聚合物進行填充,制備聚合物/無機物導熱復合材料。具有高導熱系數(shù)結(jié)構(gòu)的聚合物價格昂貴,填充制備導熱聚合物是目前廣泛采用的方法[2]。聚合物與高導熱填料共混制得的導熱聚合物基復合材料，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，導熱聚合物基復合材料作為新的替代材料越來越引起人們的關(guān)注[3]。目前具有應用價值的導熱聚乙烯管已研制成功，它保留了聚乙烯的主要性能特點，導熱系數(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)/石墨復合材料導熱系數(shù)、微觀形態(tài)及力學性能的影響。

1 試驗部分

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，南京曙光化工集團有限公司；馬來酸酐接枝聚乙烯，天津軍星管業(yè)集團有限公司。

平板硫化機，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；熱傳導分析儀，TPS2500，瑞典凱戈納斯有限公司；雙螺桿擠出機，南京永杰化工機械有限公司。

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共混擠出。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

導熱性能按照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 石墨含量對復合材料導熱系數(shù)的影響

圖1是石墨含量對復合材料導熱系數(shù)影響。

由圖1可以看出，隨著石墨添加量的增加，HDPE復合材料體系的導熱系數(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)劑用于對石墨進行表面處理，處理后的石墨與HDPE進行塑化熔合，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，導致2種配比制備的復合材料力學性能較差，其斷裂伸長率僅為7%～8%，沖擊強度為15～17 kJ/m2。進一步表明，僅僅對石墨表面采用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理是不夠的。

2.3 增容劑的應用

圖4是HDPE/處理石墨/增容劑復合材料的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合材料的相容性。

2.4 石墨粒徑對復合材料性能的影響

表1是石墨粒徑對復合材料性能的影響，其中石墨添加量33份。

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

3 結(jié)論

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

b) 對于HDPE/石墨復合材料，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，添加增容劑后復合材料的相容性明顯改善。

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

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

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

[3] 董其伍，劉琳琳，劉敏珊. 預測聚合物基復合材料導熱系數(shù)方法研究進展[J].材料工程,2009,(3):78-81.

3D打印用的含有天然纖維增強PLA

據(jù)“www.ptonline.com”報道，德國的生物塑料混煉商FKuR、先進3D打印材料的供應商、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PLA 3D打印材料的制件給人有獨特的木質(zhì)外觀及與眾不同的感覺，沒有設(shè)計限制。

(由中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院

嚴淑芬供稿)

杜邦擴大在亞太地區(qū)的應用開發(fā)能力

據(jù)“www.plasticstoday.com”報道，為加強應用程序開發(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，并推動汽車渦輪增壓發(fā)動機風道開發(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。這項投資和該公司獨特的三維吸吹成型模擬軟件在無需物理樣機的情況下幫助客戶優(yōu)化風道設(shè)計。

除此，杜邦在中國的研發(fā)中心新增了450 t注塑機和新設(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)濟性。該450 t注塑機將為設(shè)計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)和利用先進的CAE(計算機輔助工程)進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”報道，“塑料工業(yè)回收行動計劃”(PIRAP)為塑料包裝供應鏈的行動提供了一個合作戰(zhàn)略，通過開發(fā)有彈性、可持續(xù)的英國塑料回收部門，實現(xiàn)了英國政府到2017年實現(xiàn)57%的塑料包裝回收的目標。

PIRAP強調(diào)一些改進的領(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。

( 以上由中國石化揚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、高分子復合材料的加工和應用等研究。E-mail:253861016@qq.com。