吳惠民

(福州市福塑科學技術研究所有限公司，福建 福州 350008)

聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)是五大工程塑料之一，具有機械性能強度高、耐疲勞性、尺寸穩(wěn)定、蠕變小等優(yōu)點，廣泛應用于電子電器零件、汽車零件、電子封裝，節(jié)能燈和熱交換器等領域[1～4]。但PBT和其他的樹脂材料一樣，本身的熱導率比較低，限制了其應用范圍，需要對其進行導熱改性[5]。

目前，對于PBT材料的導熱性能改性主要采用填充金屬、金屬氧化物等傳統(tǒng)的填充共混方法, 通過向樹脂中添加高導熱的填料制備高分子復合材料以形成導熱通路可以有效地解決高聚物在導熱方面的難題。而填充導熱填料的同時往往對材料機械性能造成嚴重影響[5～6]。

鱗片石墨為天然顯晶質石墨，其形似魚磷狀，屬六方晶系，呈層狀結構，具有良好的耐高溫、導電、導熱和資源豐富且價格便宜等優(yōu)點。

因此，本文采用鱗片石墨/ZnO作為導熱填料，利用鱗片石墨的層狀結構，對ZnO 的“插層”或者“架橋”作用，構建“導熱通道”，減少單一導熱填料高填充量對導熱材料力學性能的破壞，對實際生產(chǎn)和推廣應用具有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PBT，1100-630S，臺灣長春；ZnO，VK-JS03，純度≥99.9%，平均粒徑：30±5 nm，宣城晶瑞新材料有限公司；鱗片石墨，粒度0.5 mm～1 μm，含碳量≥99%，寧波海曙鼎創(chuàng)化工有限公司；鋁酸酯偶聯(lián)劑，DL-413，市售；潤滑劑，硬脂酸，市售；POE增韌劑，8842，美國陶氏；POE-g-GMA相容劑，SOG-02，佳易容相容劑江蘇有限公司；抗氧化劑，1076/168復配，市售。

1.2 主要儀器與設備

高速混合機，SHR-5，5L，張家港市日新機電有限公司；雙螺桿擠出機，SJSH-30，石家莊市星爍實業(yè)公司；塑料注射成型機，EM150-V，震德注塑機有限公司；數(shù)顯簡懸組合沖擊機，ZBC-50型，深圳新三思材料檢測有限公司；微機控制電子萬能實驗機：CMT4204-20KN，深圳新三思計量技術有限公司；導熱系數(shù)測試儀（熱流法），DRL-Ⅲ，湘潭市儀器儀表有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，JKM-6360LA，日本電子公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 導熱填料表面改性處理

分別將鱗片石墨、ZnO、鱗片石墨/ZnO加入高速混合機中，升溫至100℃，以100/min的轉速攪拌1 h后，加入鋁酸酯偶聯(lián)劑，以300 r/min的轉速高速攪拌0.5～1 h后冷卻至常溫，分別制備活性鱗片石墨、活性ZnO、活性鱗片石墨/ZnO，出料備用；

1.3.2 導熱復合材料的制備

將PBT材料在100℃干燥8 h，按照表1、表2和表3配方所示分別加入不同活性導熱填料、潤滑劑、增韌劑、相容劑及抗氧化劑，高速攪拌20 min后，經(jīng)雙螺桿試驗擠出機于200～250℃熔融共混擠出造粒，所得導熱復合材料粒料在100℃下熱風干燥10 h，經(jīng)注塑機成型機注射成測試樣條，性能測試。

表1 鱗片石墨導熱PBT的配方

表2 鱗片石墨/ZnO導熱PBT的配方

表3 ZnO導熱PBT的配方

1.4 樣品測試

導熱系數(shù)根據(jù)ASTM—D5470進行測試；

沖擊強度根據(jù)GB/T1043.1—2008進行測試；

拉伸強度根據(jù)GB/T1040.1—2006進行測試；

彎曲強度根據(jù)GBT 9341—2000進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同導熱填料的含量對導熱PBT導熱系數(shù)的影響

圖1為不同導熱填料的含量對導熱PBT導熱系數(shù)的影響。從圖1可以看出：隨著不同導熱填料含量的增加，PBT的導熱系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升趨勢，當導熱填料含量為20份時，鱗片石墨/PBT導熱系數(shù)為0.33 W/(m·K)，鱗片石墨 /ZnO/PBT 導熱系數(shù) 0.41 W/(m· K)，ZnO/PBT導熱系數(shù)0.32 W/(m·K)，較純PBT材料的導熱系數(shù)為0.27 W/(m·K) 提高不明顯，這是由于導熱填料添加量較少時，在樹脂基體中未能形成有效的導熱通道，而當導熱填料含量為50份時，鱗片石墨/PBT導熱系數(shù)為1.02 W/(m·K)，鱗片石墨/ZnO/PBT導熱系數(shù)1.48 W/(m·K)，ZnO/PBT導熱系數(shù)W/(m·K)，較純PBT材料的導熱系數(shù)分別提高3.8、3.6和5.5倍，特別是采用鱗片石墨/ZnO作為導熱填料對于材料的導熱系數(shù)提高較另外兩種更加明顯，這可能是由于鱗片石墨為片狀結構，而ZnO為球型結構，單獨采用ZnO作為導熱填料時，由于粒子之間接觸面較小，容易形成間隙；而單獨采用鱗片石墨作為導熱填料，由于鱗片石墨片狀之間接觸具有一定取向性，如層與層之間就不易進行接觸，采用鱗片石墨/ZnO作為導熱填料可以利用鱗片石墨在ZnO粒子間形成“插層”和“架橋”，更有利于導熱通道的構架，從而提高材料導熱系數(shù)。

圖1 不同導熱填料含量對導熱PBT導熱系數(shù)的影響

2.2 不同導熱填料的含量對導熱PBT拉伸強度的影響

圖2 為不同導熱填料的含量對導熱PBT拉伸強度的影響。從圖2可知，隨著導熱填料含量的增加，出現(xiàn)兩種不同的結果：導熱填料為鱗片石墨和鱗片石墨/ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT拉伸強度出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，導熱填料為ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT拉伸強度逐漸降低，當導熱填料份數(shù)為20份時，導熱填料為鱗片石墨和鱗片石墨/ZnO的拉伸強度分別為82.4 MPa和77.6 MPa，較純PBT拉伸強度55.9 MPa分別提高47.4%和38.8%，而導熱填料為ZnO時拉伸強度為50.4 MPa，較純PBT降低9.8%。當導熱填料份數(shù)為50份時，拉伸強度分別下降至44.1 MPa、40.8 MPa和31.2 MPa。這可能是由于鱗片石墨的加入，在拉伸過程中，當外力作用沿著鱗片石墨的方向時，PBT 基體產(chǎn)生塑性滑移，相比于 PBT，鱗片石墨承受絕大部分應力，而 PBT基體承受的應力較小。在基體斷裂之前，應力主要由鱗片石墨承受，或在鱗片石墨和基體表面間產(chǎn)生剪切滑移而耗散，因而整個增強基體能夠承受更大的應力，外觀表現(xiàn)為拉伸強度的提高。而繼續(xù)增加導熱填料份數(shù)后，填料在 PBT 中的分散性變差，會發(fā)生團聚，因而拉伸強度出現(xiàn)下降。

圖2 不同導熱填料含量對導熱PBT拉伸強度的影響

2.3 不同導熱填料的含量對導熱PBT彎曲強度的影響

圖3 為不同導熱填料的含量對導熱PBT彎曲強度的影響。從圖3可以看出：隨著導熱填料含量的增加，當導熱填料為鱗片石墨和鱗片石墨/ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT彎曲強度也出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，在填料份數(shù)為20份時，達到最大值，分別為96.5 MPa和101.4 MPa，此后隨著導熱填料的增加呈下降趨勢，在導熱填料為50份時分別降至47.3 MPa和55.3 MPa；而導熱填料為ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT彎曲強度則呈下降趨勢，導熱填料份數(shù)為20和50份時，彎曲強度分別77.2 MPa和50.7 MPa，彎曲強度下降明顯。探究其原理，由于鱗片石墨的加入，與基體界面的作用力強，能較好地傳遞應力，從而使復合材料的力學性能得到提升。而ZnO為球形結構，容易形成應力集中點，降低材料性能。但隨著導熱填料份數(shù)的增加，填料在基體中的分散性變差，并容易發(fā)生團聚，形成應力集中，填料與基體之間發(fā)生缺陷，從而降低了導熱材料的彎曲強度。

圖3 不同導熱填料的含量對導熱PBT彎曲強度的影響

2.4 不同導熱填料的含量對導熱PBT沖擊強度的影響

圖4 為不同導熱填料的含量對導熱PBT沖擊強度的影響。從圖4可以看出，隨著導熱填料含量的增加，當導熱填料為鱗片石墨和鱗片石墨/ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT沖擊強度也出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，在填料份數(shù)為20份時，達到最大值，分別為5.86 kJ/m2和 6.04 kJ/m2，較純 PBT的 4.91 kJ/m2分別提高0.95 kJ/m2和1.13 kJ/m2當導熱填料為50份時又分別降至3.12 kJ/m2和3.66 kJ/m2；而導熱填料為ZnO時，隨著導熱填料份數(shù)增加，導熱PBT沖擊強度則呈下降趨勢，導熱填料份數(shù)為20和50份時，沖擊強度分別4.33 kJ/m2和2.91 kJ/m2，下降明顯。這是由于鱗片石墨為片層結構，與PBT 基體樹脂觸面較大，界面結合力較強，從而對材料的沖擊強度具有一定的提高Al2O3/但隨著導熱填料的增加，影響了分子的柔順性，阻礙分子運動，從而導熱PA6復合材料沖擊強度下降。

圖4 不同導熱填料的含量對導熱PBT沖擊強度的影響

2.5 鱗片石墨/ZnO導熱PBT材料的形貌表征

為了表征鱗片石墨/ZnO在PBT樹脂中的形態(tài)與分布，用SEM進行觀察，鱗片石墨/ZnO在PBT樹脂中的形態(tài)和分布如圖5所示。從圖5可以看出，當添加量為50份時，鱗片石墨/ZnO在PBT樹脂中分布較為均勻，片狀結構鱗片石墨與ZnO粒子之間出現(xiàn)“插層”或“架橋”現(xiàn)象，同時構建完整的導熱通道，但由于添加量較大，鱗片石墨與ZnO出現(xiàn)團聚效應，與PBT樹脂之間出現(xiàn)界面缺陷，從而影響材料整體力學性能，這正好對前面增加導熱填料含量有利于提高材料導熱系數(shù)，但是材料整體力學性能出現(xiàn)下降一個很好的闡述。

圖5 鱗片石墨/ZnO導熱PBT材料的SEM照片

3 結論

（1）采用鱗片石墨/ZnO制備導熱PBT材料，對材料的導熱系數(shù)的提升明顯優(yōu)于單組份的鱗片石墨或者ZnO。

（2）用鱗片石墨/ZnO制備導熱PBT材料，隨著導熱填料的增加，導熱PBT材料的導熱系數(shù)逐步增加，力學性能則是先升后降。

（3）當鱗片石墨/ZnO用量為50份時，導熱PBT材料導熱系數(shù)為1.48 W/(m·K)，比純PBT材料提高5.5倍，導熱性能提升明顯。