石墨填充聚酰胺／聚丙烯导热复合材料的研究

石墨填充聚酰胺／聚丙烯导热复合材料的研究徐久升摘要：为了降低聚合物基导热复合材料中填料的含量，用聚酰胺6(PA6)／聚丙烯(PP)两相聚合物作为基体，研究了PA6／PP／鳞片石墨(FG)和PA6／FG复合材料的热导率随FG含量的变化规律。PA6／FG复合材料中FG质量分数为30%时，复合材料的热导率为1.85W／(m·K)，而PA6／PP／FG复合材料热导率达到1.88W／(m·K)时，FG的质量分数仅需20%，说明PP作为体积排除相，优化了FG在PA6中的分布。以PA6／PP作为基体，达到与PA6单一基体相近的热导率时可以降低FG的填充量，改善导热复合材料的加工性能和力学性能。同时研究了不同FG含量下两种复合材料的电阻率，结果发现，在FG质量分数为30%时，PA6／PP／FG复合材料的体积电阻率比PA6／FG的体积电阻率低两个数量级，间接证实PP的加入改变了FG在PA6中的分布。用扫描电子显微镜对FG在PA6／PP／FG复合材料中的分布进行了研究，结果表明，当FG质量分数超过30%时，FG相互之间的接触增多。关键词：热导率；聚酰胺6；聚丙烯；鳞片石墨分布；体积排除ResearchofThermallyConductiveCompositesBasedonFlakeGraphiteFilledinPolyamide6／PolypropyleneXuJiushengAbstract：Polyamide6(PA6)／polypropylene(PP)asatwo-phasepolymermatrixwasusedtoreducethefillercontentofthermallyconductivecompositesbasedonpolymermaterials.ThermalconductivitiesofbothPA6／PP／flakegraphite(FG)andPA6／FGcompositeswithdifferentFGcontentwerestudied.ThermalconductivityofPA6／FGcompositeis1.85W／(m·K)whenFGcontentis30%；whilethermalconductivityofPA6／PP／FGcompositecouldreachedto1.88W／(m·K)aslongasFGcontentis20%.ThisimpliesthatPPasasize-exclusionphasecouldoptimizethedistributionofFGinPA6.FGcontentcouldbereducedwhenthermalconductivitiesofPA6／PP／FGcompositesreachtothesamevalueasPA6／FGcomposites，thuscouldimprovetheprocessingperformanceandmechanicalpropertiesofthermallyconductivecomposites.ElectricalresistivitiesofPA6／PP／FGandPA6／FGcompositeswerealsostudied.TheresultsshowthatthevolumeelectricalresistivityofPA6／PP／FGcompositeistwoordersofmagnitudelowerthanPA6／FGcompositewhenFGcontentis30%.ThisindicatesthattheadditionofPPchangesthedistributionofFGinPA6.ThedistributionofFGinPA6／PP／FGcompositewasstudiedbySEM.ItshowesthatthepossibilityofFGcontactwitheachotherisincreasedwhenthecontentexceeds30%.Keywords：thermalconductivity；polyamide6；polypropylene；distributionofflakegraphite；size-exclusion导热聚合物复合材料在换热工程、电子信息工程、电子电器、LED灯等诸多领域发挥着越来越重要的作用，制备综合性能优异的导热聚合物复合材料具有十分重要的意义。目前导热复合材料仍以填充型为主，即将某种高导热填充材料掺加到聚合物基体中，用高导热填料代替部分聚合物，能使整个体系的导热效果全面提高。填充型导热复合材料的热导率取决于聚合物基体与导热填料间的协同作用。导热填料含量较低时，其在基体中孤立存在，此时填料被聚合物基体所包覆，彼此之间不接触，复合材料的导热性能提高不大[8–9]。随着填料用量的继续增加，填料间开始相互接触，并逐步形成贯穿于整个聚合物基体材料内的导热网路，此时，复合材料的热传导通过声子沿着热阻最小的路径，即导热填料粒子相互搭接的导热通路传播，使复合材料的导热性显著提高。复合材料导热性能的提高依赖于填料的含量，但是填充量过高时又不可避免地会带来加工困难和力学性能差等问题，尤其是需要进行熔融挤出加工和注射成型的热塑性聚合物基体复合材料，填料的填充量需要控制在一定的范围内。由此可见，导热填料以适当的比例添加以及分散效果的保证是制备导热聚合物复合材料的两大关键因素。ZhouShengtai等研究发现，当向聚酰胺6(PA6)中添加聚碳酸酯(PC)作为第二组分时，PC充当体积排除材料优化了石墨在PA6中的分布，提高了复合材料的热导率。笔者用PA6／聚丙烯(PP)双组分聚合物作为基体树脂，利用PA6／PP两相聚合物的不相容性来构造海岛相，通过PP岛相的体积排除作用优化鳞片石墨(FG)的分布，在保证复合材料一定热导率的基础上，降低填料的填充量，使复合材料具有更佳的力学性能及加工性能。1实验部分1．1主要原材料PA6：M1013B，熔体流动速率为21.5g／(10min)，江苏瑞美福实业有限公司；PP：M250E，熔体流动速率为(2.5±0.7)g／(10min)，上海高桥石油化工公司；马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)：9801，上海日之升新技术发展有限公司；FG：密度为2.25g／cm3，粒径为104μm，碳含量≥99.0%，青岛东凯石墨有限公司；复配抗氧剂：由抗氧剂168和1098复配而成，自制；润滑剂：亚乙基双脂肪酸酰胺共聚物(TAF)，市售。1．2主要仪器与设备电热恒温干燥箱：OVEN–9型，石家庄冀生干燥设备有限公司；双螺杆挤出机：SHJ–36型，昆山科信橡塑机械有限公司；注塑机：UN120SM型，广东伊之密精密机械股份有限公司；恒温恒湿箱：HOC-KWS2HF型，日本优易控株式会社；闪光法导热分析仪：LFA447型，德国耐驰公司。2结论(1)PP作为体积排除相加入到PA6基体中，可以优化FG在PA6中的分布。以PA6／PP作为基体，达到与PA6单一基体相近的热导率时，可以降低FG的填充量，改善导热复合材料的加工性能和力学性能。(2)当FG质量分数为30%时，PA6／PP／FG复合材料的体积电阻率比PA6／FG复合材料的体积电阻率低两个数量级，表面电阻率也大大降低，说明加入PP改变了FG在PA6中的分布。(3)随着FG含量的增加，复合材料的悬臂梁冲击强度逐渐下降，而悬臂梁缺口冲击强度和拉伸强度先增大后减小，弯曲弹性模量逐渐增大。(4)当FG质量分数低于30%时，FG相互之间几乎不发生接触，均匀地分散于树脂基体中，树脂基体包覆住了FG，FG未能够相互搭接而形成明显的导热通路；当FG质量分数超过30%时，FG之间接触增多，形成更长的导热通路。