夏成文 吴晓芬 刘学超 杨振兴 于东明

(1.天津市新型塑料管材企业重点实验室，天津, 301701;2.天津军星管业集团有限公司，天津, 301701)

高热导率聚乙烯/石墨复合材料的研究

夏成文1,2吴晓芬1,2刘学超1,2杨振兴1,2于东明2

(1.天津市新型塑料管材企业重点实验室，天津, 301701;2.天津军星管业集团有限公司，天津, 301701)

采用自制增容剂结合钛酸酯偶联剂对石墨表面进行处理，并与高密度聚乙烯(HDPE)熔融共混制备HDPE/石墨复合材料。研究了基体树脂、偶联剂、增容剂及石墨粒径和含量对HDPE/石墨复合材料导热系数、微观形态及力学性能的影响。结果表明：基体树脂的导热系数越大越有利于体系导热系数的提高;增容剂的加入改善了复合材料的相容性;随着石墨粒径的增大，复合材料的导热系数显著提高,但其力学性能变差；复合材料的导热系数随石墨含量的增大而上升。

聚乙烯 石墨 导热系数 复合材料

大多数塑料耐腐蚀，但热导率低，直接用于换热工程时传热效率很低，因此，提高塑料的热导率具有重要意义[1]。目前提高塑料导热性能的途径有2种:采用高导热系数结构的聚合物,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等;通过高导热无机物对聚合物进行填充,制备聚合物/无机物导热复合材料。具有高导热系数结构的聚合物价格昂贵,填充制备导热聚合物是目前广泛采用的方法[2]。聚合物与高导热填料共混制得的导热聚合物基复合材料，与金属材料相比具有耐腐蚀、抗结垢、质量轻、易于加工、成本较低和使用寿命长等优点，导热聚合物基复合材料作为新的替代材料越来越引起人们的关注[3]。目前具有应用价值的导热聚乙烯管已研制成功，它保留了聚乙烯的主要性能特点，导热系数提高了50%～100%。下面主要研究偶联剂、增容剂及石墨粒径和含量对高密度聚乙烯(HDPE)/石墨复合材料导热系数、微观形态及力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

HDPE，YGH041，中石化上海石油化工股份有限公司；鳞片石墨，4～15 μm，青岛恒利得石墨有限公司；钛酸酯偶联剂，NDZ-101，南京曙光化工集团有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯，天津军星管业集团有限公司。

平板硫化机，XLB，青岛信本科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quanta200，荷兰FEI公司；热传导分析仪，TPS2500，瑞典凯戈纳斯有限公司；双螺杆挤出机，南京永杰化工机械有限公司。

1.2 样品制备

采用HDPE作为基体树脂，鳞片石墨作为导热填料，钛酸酯作为表面处理剂，将HDPE与钛酸酯按质量比100/1在高速混合机搅拌1 min，加入不同含量的石墨再搅拌2 min，然后用双螺杆挤出机共混挤出。

1.3 性能测试与结构表征

导热性能按照ISO 22007.2—2008测试，样品规格为20 mm×20 mm×(1.5～5.0)mm；力学性能按照GB/T 1040—1992测试，拉伸速度为5 mm/min。

SEM观察：将材料的拉伸断面切下，表面喷金后用SEM观察其形貌。

2 结果与讨论

2.1 石墨含量对复合材料导热系数的影响

图1是石墨含量对复合材料导热系数影响。

由图1可以看出，随着石墨添加量的增加，HDPE复合材料体系的导热系数逐渐增大。

2.2 界面处理

分别采用白油和丙酮稀释钛酸酯偶联剂用于对石墨进行表面处理，处理后的石墨与HDPE进行塑化熔合，HDPE/石墨质量比为100/25。

图2和图3分别是丙酮/钛酸酯质量比10/1和白油/钛酸酯质量比1/1处理石墨/HDPE的SEM照片。

由图2、图3可以看出，2幅扫描电镜照片基本相近，石墨鳞片与HDPE相的界线较清晰，且存在明显的间隙。说明稀释剂不论采用丙酮或是白油，经钛酸酯偶联剂处理的石墨与HDPE相容效果较差，导致2种配比制备的复合材料力学性能较差，其断裂伸长率仅为7%～8%，冲击强度为15～17 kJ/m2。进一步表明，仅仅对石墨表面采用钛酸酯偶联剂处理是不够的。

2.3 增容剂的应用

图4是HDPE/处理石墨/增容剂复合材料的SEM照片。

从图4可以看出，多数石墨鳞片与HDPE基体之间界面模糊，说明加入增容剂提高了复合材料的相容性。

2.4 石墨粒径对复合材料性能的影响

表1是石墨粒径对复合材料性能的影响，其中石墨添加量33份。

从表1可以看出，随着石墨粒径增大，复合材料的导热系数提高，但其力学性能不佳。

3 结论

a) 随着石墨添加量的增加，HDPE/石墨复合材料的导热系数提高。

b) 对于HDPE/石墨复合材料，鳞片石墨的表面仅仅采用钛酸酯偶联剂处理，增容效果并不理想，添加增容剂后复合材料的相容性明显改善。

c) 石墨粒径越大，HDPE/石墨复合材料的导热系数越大，但其力学性能越差。

[1] 冯毅，李云翔，梁满兵. 填充型导热塑料的热导率分析[J]. 塑料工业, 2007,35(6):250-251.

[2] 李丽，王成国.导热塑料的研究与应用[J]. 高分子通报, 2007,(7):25-31.

[3] 董其伍，刘琳琳，刘敏珊. 预测聚合物基复合材料导热系数方法研究进展[J].材料工程,2009,(3):78-81.

3D打印用的含有天然纤维增强PLA

据“www.ptonline.com”报道，德国的生物塑料混炼商FKuR、先进3D打印材料的供应商、美国办事处在德克萨斯州雪松公园与荷兰的Helian聚合物公司联合开发出用FDM(熔融沉积成型)添加生产工艺制备的天然纤维增强PLA 3D打印材料。

荷兰Colorfabb产品系列(该产品系列有各种颜色的3D打印材料)的供应商最近开发的材料，命名为woodFillFine和BambooFill。woodFillFine和BambooFill 3D打印材料最大的分销商在加利福尼亚州森林MatterHackers。与传统的木材相比，据说新型纤维增强PLA 3D打印材料的制件给人有独特的木质外观及与众不同的感觉，没有设计限制。

(由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

严淑芬供稿)

杜邦扩大在亚太地区的应用开发能力

据“www.plasticstoday.com”报道，为加强应用程序开发能力，杜邦在亚太地区的性能聚合物技术和研发中心提高了三维吸吹成型和注塑产能。

日本宇都宫市技术中心新的三维吸吹塑成型生产能力将有利于杜邦协调发展，并推动汽车涡轮增压发动机风道开发。杜邦已经开发出企业内部模拟工具来预测模具中的三维吸气过程和管扭曲情况，以帮助确保均匀壁厚。这项投资和该公司独特的三维吸吹成型模拟软件在无需物理样机的情况下帮助客户优化风道设计。

除此，杜邦在中国的研发中心新增了450 t注塑机和新设立了杜邦上海创新中心，从而提升其区域能力，为汽车和消费电子产品客户带来创新成果的快速市场转化能力并提高经济性。该450 t注塑机将为设计工程师提供薄壁成型的手持设备，测试工具，优化加工工艺，原型开发和利用先进的CAE(计算机辅助工程)进行各向异性特性表征。

英国颁布塑料制品回收议案

据“www.britishplastics.co.uk”报道，“塑料工业回收行动计划”(PIRAP)为塑料包装供应链的行动提供了一个合作战略，通过开发有弹性、可持续的英国塑料回收部门，实现了英国政府到2017年实现57%的塑料包装回收的目标。

PIRAP强调一些改进的领域发展塑料回收料的终端市场，提高收缴率，采用最佳的收集方法，优化排序的基础设施和完善的设计。

( 以上由中国石化扬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，高级工程师，主要从事功能型聚烯烃树脂、高分子复合材料的加工和应用等研究。E-mail:253861016@qq.com。