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碳纤维导热复合材料性能的研究

发布时间:2020-03-31 15:09

  碳纤维导热复合材料性能的研究_材料科学_工程科技_专业资料。塑料工业 ?78? CHINA PLASrnCS INDUSTRY 第41卷第6期 2013年6月 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能 的研究 冯博1,冷金华2,陈弦2’,何波兵2 (1.

  塑料工业 ?78? CHINA PLASrnCS INDUSTRY 第41卷第6期 2013年6月 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能 的研究 冯博1,冷金华2,陈弦2’,何波兵2 (1.四川大学高分子科学与工程学院,匹tJtl成都610064;2.1匹lJll大学化学学院,四川成都610065) 摘要:采用高密度聚乙烯(HDPE)、石墨、碳纤维制备高导热、高强度的复合材料。通过SEM照片考察高密度 聚乙烯/石墨/碳纤维复合体系的微观结构;研究石墨及碳纤维的加入是否可以形成导热通道以及随着石墨的添加量的 提高,复合材料的导热性能及其力学性能的变化。结果表明:当石墨的质量分数为60%,碳纤维的质量分数为5% 时,复合材料的导热系数达到7.938 W/(m?K),是纯HDPE的20倍。 关键词:高密度聚乙烯;石墨;碳纤维;导热系数;力学性能 DOI:10.3969/j.issn.1005—5770.2013.06.021 中图分类号:TQ325.1+2 文献标识码:A 文章编号:1005—5770(2013)06—0078—05 Study on the Properties of HDPE/Graphite/Carbon Fiber Thermal Conductivity Composite FENG Bo 1,LENG Jin—hua 1,CHEN Xian2,HE BO—bin92 (1.The College of Polymer Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610064,China; 2.The College of Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610065,China) to Abstract:High density polyethylene,graphite and carbon fiber were chosen prepare a composite as material with high thermal conductivity and high strength.Its microstructure was observed by SEM whether it can well as 7 form a thermal channel by using graphite and carbon fiber.The changes of the material S thermal conductivity and mechanical properties with the increasing of the addition of graphite were studied. When 7.938 using 60w%graphite and 5 w%carbon fiber.the coefficient index of thermal conductivity reached at W/(m?K)which was 20 times of the pure HDPE. Keywords:HDPE;Graphite;Carbon Fiber;Thermal Conductivity;Mechanical Property 随着工业生产和科学技术的发展,传统的导热材 高密度聚乙烯(HDPE)用途广泛,但其导热性 能差,其导热系数只有0.39 W/(m?K),在散热、 电子电器领域受到了严重的制约,而石墨的导热系数 为129 W/(m?K),而且石墨耐高温、热膨胀系数极 料——金属由于其抗腐蚀性能差且导电,在一些特定 领域已经受到了限制…。用人工合成的高分子材料 代替传统工业中使用的各种材料心j,特别是金属材 料,已成为世界科研努力的方向之一。由于高分子材 料大多是热的不良导体一j,为了制造具有优良综合 性能的导热材料,一般都是用高导热性的金属或无机 填料对高分子材料进行填充。这样得到的导热材料价 格低廉、易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调 整可以应用于某些特殊领域,另据报道导电有机物质 包括聚乙炔、聚亚苯基硫醚、聚噻吩等也具有良好的 导热性‘4【。 小、化学稳定性好。本实验采用高导热系数的石墨填 充HDPE,并添加一定量的碳纤维,制备高导热、高 强度的HDPE改性材料。 1 实验部分 HDPE:8008,粒料,熔体质量流动速率7.3 g/ 1.1实验原料 lOmin,中国石油独山子石化公司;鳞片石墨:平均 厚度5斗m(石墨A)、1¨m(石墨B),青岛天和达 女联系人xian.chen@126.tom 作者简介:冯博,男,1988年生,硕士研究生,主要从事导热高分子材料的研究工作。fengb00710@126.eom 万方数据 第4l卷第6期 冯博,等:高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能的研究 .79. 石墨有限公司;碳纤维,直径2 mm,长径比200:1, 进行测试,砝码质量5 kg,温度200 oC;拉伸性能: 采用GB/T 1040--1992标准测试,拉伸速度50 mm/ 中复神鹰有限公司;硅烷偶联剂:KH550,成都科兴 化工公司。 1.2主要仪器及设备 同向平行双螺杆挤出机:SH3-35,南京浩特机 械设备有限公司;哈克密炼机:Rheoeord 9000,德国 min;冲击性能:采用GB/T 1043--1993标准测试; 导热性能:采用瑞典HOT—Disk 2500-OT测试,导热 系数测试范围0.005~500 W/(m?K),测量精度≤ ±3%。 哈克公司;高速混合机:GH一10DQ,北京市塑料机 械厂;塑料注射机:HTF90W1型,宁波海天集团股 份有限公司;平板硫化仪:KY-3201,开研精密仪器 2结果与讨论 2.1高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的流 动性能分析 设备厂;熔体流动速率仪:XRL-400C,承德精密试 验机有限公司;万能材料试验机:4302型,美国In. stron;热常数分析仪:HOT—Disk 2500一OT,瑞典 HOT—Disk公司;扫描电子显微镜:JEOL JSM 日本电子公司。 1.3实验工艺路线一 .M\静锻臀堰■龌肇蛙 7500F, 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热材料制备工艺图 如图1所示。 墓器霎主霎r 石墨.碳纤 图2高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的熔体质量 流动速率 Fig 2 MFR of thermal conductive material containing HDPE/graphite/carbon fiber 维处理一 图1 Fig 1 压板,制备导热I 系数测试样条广1数测定 I导热系 石墨和碳纤维的加入会对复合材料的流动性能产 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热材料制备工艺图 Processing diagram of preparation on 生影响,实验通过测试高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导 the thermal conductive material containing HDPE/graphite/earbon fiber 热复合材料的熔体质量流动速率来表征其材料的流动 性能。图2为石墨用量对高密度聚乙烯/石墨/碳纤维 导热复合材料熔体质量流动速率的影响。从图2可以 看出,随着石墨含量的增加,熔体质量流动速率呈下 1.4改性材料及试样制备 石墨和碳纤维的处理:先用硝酸处理,加人酒 精,在130 oC下处理4 h,然后加入2%(石墨质量) 的硅烷偶联剂KH550,在150 oC下处理4 h,粉碎成 降的趋势,当质量分数小于50%时,复合材料的熔 体质量流动速率几乎呈线性下降的趋势,其主要原因 粉末状。与HDPE混合均匀,经过两次挤出造粒。 试样制备:将HDPE复合材料干燥处理,干燥温 度为100~120 oC,时间6~8 h,用注塑成型的方法 是:一方面,石墨为无机填料,呈刚性,添加到聚合 物中,必然会使得复合材料的流动性能下降;另一方 面,石墨本身具有很好的固体润滑剂作用,经硝酸处 理后,再加入偶联剂处理,必然能够被基体树脂很好 制备标准的力学性能测试样条。工艺条件如表1 所示。 表1注塑工艺参数 Tab I Parameters 地包覆,与基体形成较好的界面层,再则石墨与 HDPE熔体混合时,石墨会沿着流动方向上排列,相 molding of injection 对改善了复合材料的熔体质量流动速率,因而使得熔 堡堡盟囹£1 10 !堕』兰 160 里堕』羔 200 坐垦£羔 190 婆望垦塑』竺坠 100 体质量流动速率下降又较缓慢。当石墨含量继续增大 时,复合材料的熔体质量流动速率下降幅度较大,这 是由于石墨本身不具有流动性,随着含量的增大,基 导热样条制备:用平板硫化仪制备20 mm×20 体树脂不能很好地包覆石墨粒子,石墨粒子对复合材 料的流动起到了较大的阻碍作用,使得复合材料的黏 度必然增大,从而使得复合材料的熔体质量流动速率 him,厚4 mm的样条,压制温度200℃,由于材料 的收缩,需要将所制样条的表面磨平。 1.5性能测试 熔融质量流动速率:采用GB/T 3682--2000标准 下降较大。从图2中还可以看出,石墨的规格对复合 材料的熔体流动速率影响不大。 万方数据 塑料工业 2013正 2.2高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料力学 性能的研究 度增加;当石墨质量分数大于10%时,复合材料的 拉伸强度开始下降,这是由于无机粒子之间的相互作 用,使得基体树脂不能完全地包覆所有的无机粒子, 界面间的黏结力也变弱,而且无机粒子的相互接触破 石墨和碳纤维的加人对复合材料的力学性能的影 响如图3和图4。由图3可以看出,当石墨质量分数 为10%时,对HDPE的冲击性能有一定的增韧作 用[5],一方面,是由于石墨的表面处理,使得石墨 坏了基体树脂之间分子链的相互作用,使得复合材料 的拉伸强度降低。而石墨的规格对力学性能的影响 很小。 和碳纤维与HDPE的相容性增加,提高了界面黏结 力;另一方面,则是由于低含量无极刚性粒子具有一 定的增韧作用。当石墨质量分数大于10%时,复合 材料的冲击强度开始下降。这是由于随着石墨含量的 增加,复合材料内部的应力集中点增加,石墨和石 2.3高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的导 热性能 在高分子材料中,高密度聚乙烯的导热系数相对而 言比较高,平行拉伸HDPE,在室温下,拉伸倍数为25 墨、石墨和碳纤维以及碳纤维和碳纤维之间有相互接 触,基体树脂不能完全包覆所有的无机粒子,界面之 倍时,平行于分子链的导热系数可达13.4 W/(m? K)‘6—7|。 间的黏结力变小,而由于石墨和碳纤维的增多,基体 树脂之间分子链间的相互作用力也变弱,从而使得复 合材料的冲击强度变小。 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的导热 系数如图5。由图5可以看出,当石墨质量分数低于 30%时,随着石墨用量的提高,复合材料的导热系数 提高,增加几乎呈线性增加,但增加幅度不是很大, N 自 ● 这是由于当石墨质量分数低于30%时,基体树脂 HDPE为连续相,石墨和碳纤维为分散相,石墨粒子 _’ _ 恻 骥 坩 定 和碳纤维在复合材料中的分布主要呈海一岛结构,石 墨与石墨,石墨与碳纤维以及碳纤维与碳纤维之间的 相互接触较少,而由于基体树脂的导热系数非常低, 所以尽管石墨的导热系数很高,根据热传导理论,石 图3 Fig 3 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的冲击强度 Impact strength of thermal conductive material containing HDPE/graphite/carbon fiber 墨与基体树脂之间的传热方式主要是串联传热形势, 只能形成较少的导热网链(可以通过图6联合印 证),从而复合材料的导热系数提高幅度不大。而当 石墨的质量分数超过30%时,复合材料的导热系数 随着石墨用量的增加而增加幅度提高,导热填料之间 的相互接触变多,可以形成较多的导热网链,石墨在 HDPE之间能形成相互贯穿的网络,从而形成导热通 道,根据热传导理论,复合材料的传热方式不但有串 联传热方式,而且有并联传热方式,所以形成的导热 通道越多,材料的导热系数大幅度地提高,当石墨质 量分数超过30%时,随着石墨含量的提高,形成的 图4高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的拉伸强度 Fig 4 Tensile strength of thermal conductive material containing HDPE/graphite/carbon fiber 导热通道越多(可以通过图6联合印证),导热系数 越高,石墨的厚度越薄,片径越大,相同含量下,对 复合导热材料的导热系数提高效果越好,但是影响不 是很大,这是由于片径越大,导热填料之间接触的可 能性越大,所形成的导热通道越多,导热系数越大, 但石墨的含量相同时,其形成的导热通道相差也不是 很大,从而使得导热系数相差不大。当石墨质量分数 为60%时,复合导热材料的导热系数可以达到7.938 对于复合材料的拉伸性能,由于碳纤维具有很强 的增强作用,当石墨质量分数小于10%时,复合材 料的拉伸强度有所增加,一方面,由于石墨的表面处 理,使得无机填料与基体树脂的相容性提高,提高了 界面黏结力;另一方面,少量石墨粒子的加人也具有 一定的增强作用,这两方面都使得复合材料的拉伸强 w/(m?K),是纯高密度聚乙烯的20倍。 万方数据 第4l卷第6期 冯博,等:高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能的研究 ?81. SEM照片。从图6可以看出,当石墨质量分数小于 30%时,导热填料之间的相互接触较少,而碳纤维的 含量也较少,从而形成的导热网链也就少,导热填料 在基体树脂中所形成的导热通道也就少,不过还是可 以形成有效的导热通道,所以导热系数会有所提高, 但提高幅度不是很大。当石墨的质量分数大于30% 时,导热填料之间的接触可能就会提高,而碳纤维也 图5 Fig 5 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的导热系数 Thermal conductivity coefficient of thermal 可以起到一种搭桥的效果,使得导热网链变多,形成 较多的有效的导热通道,根据热传导理论,复合材料 的传热方式不但有串联传热方式,而且有并联传热方 式,当石墨含量较多的时候,导热填料的接触可能增 conductive material containing HDPE/graphite/carbon fiber 2.4高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的微 观结构 加,形成的导热通道也就越多,从而复合材料的导热 系数大幅度的提高。 a一石墨A(大片径) b一石墨B(小片径) 图7高密度聚乙烯/石墨/碳纤维(质量比35/60/5)复合 体系的SEM照片 Fig 7 SEM photo of thermal conductive material containing HDPE/graphite/carbon fiber(35/60/5) 由图7可以看出,片径大的石墨,面积也就大, 片径之间接触的可能性也就越大,形成导热通道的可 能性也就越大,从而复合材料的导热系数的提高较 大,而片径小的石墨,面积也就小,从而使得片径之 间接触的可能性也就相对而言较小,复合材料的导热 系数的提高幅度就没有那么大,但是由于A和B在 添加量相同的情况下,其整体的体积也相同,虽然片 径大,接触的可能性较大,导热系数提高较大,片径 小,接触的可能性较小,导热系数提高较小,但总体 而然,导热系数相差也不会很大,这也符合图5的 分析。 3 c一厶姿质量办童】L 30 结论 1)添加高导热石墨,可以有效地提高以高密度 c,v 1_也釜坎量力奴()U% 聚乙烯为基体的复合材料的导热系数,当石墨质量分 数为60%,碳纤维加入量为5%时,复合材料的导热 系数为7.938 w/(m?K)。 2)当石墨质量分数低于30%时,随着石墨用量 的增加,复合材料的导热系数提高,但提高幅度不是 图6高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料的SEM照片 Fig 6 SEM photo of thermal conductive material containing HDPE/ graphite/carbon fiber 图6为高密度聚乙烯/石墨/碳纤维复合体系 万方数据 ?82? 塑料工业 2013焦 很大;当石墨用量高于30%时,随着石墨添加量的 增加,复合材料的导热系数提高幅度较大。 3)随着石墨添加量的增加,复合材料的熔体质 量流动速率降低,当石墨质量分数高于50%时,熔 体质量流动速率很低。 4)当石墨的质量分数高于50%时,复合材料的 [3]翟悔潮.粘接与表面撩装技术[M].北京:化学工业出 版社,1993. [4]江华.现代化学[M].北京:高等教育出版社,1991: 124—138. [5]刘英俊,刘伯元.塑料填充改性[M].北京:轻工业出 版社,1998. [6]TANG C W,VAN SLYKE S A.Organic electroluminescent Phys 力学性能下降。 参考文献 [1]杜茂平,魏伯荣.导热高分子材料的研究新进展[J]. 塑料工业,2007,35(6):46—49. [2]陶国良,涂善东.石墨/碳纤维/聚丙烯高强导热材料的 研究[J].中国塑料,2004,18(11):32—35. diodes[J].Appl [7]TANG Lett,1987,51(12):913—915. C W,VAN SLYKE S A.Organic electroluminescent Appl Phys,1989,65:3610—3613. material[J].J (本文于2013—03—05收到) 杜塞尔多夫国际塑料与橡胶展览会(K 2013)吸引各方热切关注 2013国际塑料与橡胶展览会(K 2013)将延续2010届展会成功办展的良好势头,吸引所有橡塑巨头于金秋十月齐聚 这场全球橡塑行业的旗舰级展会。展位需求激增,诸多展商纷纷扩大本次参展规模。届时,杜塞尔多夫展览场所的全部19 个展厅均将爆满。 杜塞尔多夫展览集团公司总裁兼首席执行官威耶纳.玛蒂斯.董谢德先生(Wemer M.Dornscheidt)认为,橡塑行业对本 次展会的空前热情肯定了杜塞尔多夫国际塑料与橡胶展览会的杰出地位。“K 2013将带领我们全面了解变化莫测的全球市 场,同时为我们呈现丰硕的创新成果。据我们了解,许多参展商正全力筹备新产品和相关介绍。杜塞尔多夫必将成为橡塑 行业的灵感之源!” 2013国际塑料与橡胶展览会举行时间为10月16~23号,届时将吸引3 000多家企业精彩亮相,展品内容包罗万象, 焦点领域如下: ?橡塑机械设备 ?原料及辅料 ?半成品、技术零件及强化塑料 K展一直是全球具有展品多样性和创新密集性展会的代名词。其参展商数量和国际化水平再次确保K展可全面覆盖所 有市场领域,展会质量首屈一指。参展企业覆盖近60个国家,其中来自欧洲,尤其德国、意大利、奥地利、瑞士和法国的 供应商参展规模颇为庞大。 与此同时,风云变幻的全球市场亦在K展得到体现。与上届2010年K展相比,亚洲企业的参展数量和预定展位面积 出现显著增长。仅中国、台湾、印度、日本和韩国的净展览面积就增长了三倍。本届展会将迎来逾300家中国企业参展商 在约9 600 m 2的净参展面积上展出产品和服务,相比三年前面积增加3 000 m 2。 随着行业危机逐渐退去,美国参展商亦将高调亮相本届展会,令人倍感鼓舞。 本届展会“K展卓尔不群”的口号一语道破万机。杜塞尔多夫K展堪为橡塑行业流行风向标和创新平台,每三年为行业 带来最新研发成果与前沿科技。展会期间亦为参展商独家奉上“塑料推动世界发展”特别展览。热门议题“可移动性”将成 为展区重点展示与讨论的焦点,内容涵盖从车辆、飞机、轮船电动设计领域的轻量化结构,到个人移动与现代休闲行为。 了解K 2013展览以及橡塑行业的最新信息,请登陆WWW.k-online.de。 媒体联系: K 2013 Press Office Eva Rugenstein/Desislava Angelova 电线 电邮:RugensteinE@messe‘duesseldo正de 电邮:AngelovaD@messe—duesseldorf.de 万方数据 高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能的研究 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 冯博, 冷金华, 陈弦, 何波兵, FENG Bo, LENG Jin-hua, CHEN Xian, HE BO-bing 冯博,FENG Bo(四川大学高分子科学与工程学院,四川成都,610064), 冷金华,陈弦,何波兵,LENG Jinhua,CHEN Xian,HE BO-bing(四川大学化学学院,四川成都,610065) 塑料工业 China Plastics Industry 2013,41(6) 参考文献(7条) 1.杜茂平;魏伯荣 导热高分子材料的研究新进展 2007(06) 2.陶国良;涂善东 石墨/碳纤维/聚丙烯高强导热材料的研究[期刊论文]-中国塑料 2004(11) 3.翟悔潮 粘接与表面撩装技术 1993 4.江华 现代化学 1991 5.刘英俊;刘伯元 塑料填充改性 1998 6.TANG C W;VAN SLYKE S A Organic electroluminescent diodes 1987(12) 7.TANG C W;VAN SLYKE S A Organic electroluminescent material 1989 本文链接: