近年來，隨著高度集成和小型化電子器件的發(fā)展，聚合物基導熱復合材料可以消散操作過程中電氣元件產(chǎn)生的熱量，同時具有易加工、質(zhì)輕、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。然而，聚合物基體本身導熱性能較差，這將嚴重限制其在高產(chǎn)熱設(shè)備中的應用。提高聚合物導熱能力最簡單可行的方法是添加導熱填料，但單一填料對其含量要求過高，這勢必會對復合材料在加工和性能方面產(chǎn)生消極影響；旌隙嗑S的填料網(wǎng)絡構(gòu)建，可以很好的解決這一難題，實現(xiàn)在較低填料含量下復合材料導熱性能的大幅提升，然而，我們必須思考出有效的對策來確保填料與基體間較強的界面結(jié)合，及其在聚合物中較好的分散。
鄭州大學橡塑模具國家工程中心申長雨院士和劉春太教授團隊的劉憲虎博士課題組利用高密度聚乙烯接枝馬來酸酐作（HDPE-g-MAH）為基體（HDPE）改性劑，通過簡單熔融共混氮化硼（BN）和羥基化多壁碳納米管(MWCNTs)，成功制備出三元復合材料（MHDPE/BN/MWCNTs），其具有優(yōu)異的導熱性能，機械性能，熱性能和有效的電磁屏蔽性能等，并發(fā)現(xiàn)了復合材料中導熱性能與流變性能之間的線性關(guān)系。工作以“Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network”為題發(fā)表在在國際復合材料Top期刊Composites Science and Technology上。
為了表明HDPE-g-MAH對HDPE基體的成功改性，以及填料與基體間較強的界面結(jié)合和均勻的分散狀態(tài)，他們利用TEM和FTIR對復合材料進行表征，結(jié)果表明HDPE-g-MAH對基體改性是成功的，填料在基體中分散均勻，同時，借助加工的高溫條件，填料表面的極性基團（羥基，氨基）可與馬來酸酐熱降解產(chǎn)生的羧基進行酯化反應，進而增強界面結(jié)合力。
圖1. 聚乙烯接枝馬來酸酐改性復合材料的TEM圖（3wt% MWCNTs）：(a) 0 wt%, (b) 10 wt% 和 (c) 30wt% BN, (d, e, f) 選區(qū)放大圖。
圖2. HDPE基體、填料和復合材料的FTIR光譜。
復合材料導熱性能測試結(jié)果表明：三元復合材料由于其內(nèi)部填料之間的協(xié)同作用而具有較高的導熱系數(shù)，當BN和MWCNTs含量為30 wt% 和3 wt% 時，導熱率為1.54 W.m-1K-1，相比于基體高262%。
圖3. BN含量對復合材料 (a) 導熱系數(shù)和 (b) 熱增強因子的影響，(c) 復合材料表面溫度隨時間的變化情況，(d) 復合材料平面內(nèi)傳熱的紅外實時熱成像；(e) 導熱機理圖。
流變結(jié)果表明，與二元復合材料相比，三元復合材料隨著MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此儲能模量的平臺區(qū)域在低頻區(qū)更為明顯。同時觀察到在單相基體復合材料中，儲能模量平臺對應Log數(shù)值與導熱系數(shù)有明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，但其斜率受MWCNTs含量影響較大。
圖4. 復合材料流變性能與導熱性能的關(guān)系：(a) 儲能模量，(b) 復合材料導熱系數(shù)對比, (c) 復合材料的儲能模量平臺Log值與導熱系數(shù)的關(guān)系, (d) 圖(c)中斜率與MWCNTs含量的關(guān)系。
鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心的碩士研究生馮明杰是該論文的第一作者，通訊作者為劉憲虎博士。該研究得到了國家自然科學基金(51803190)、資源材料協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金(Zycl202004)和國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0706802)的資金支持。
原文鏈接：M. Feng#, Y. Pan#, M. Zhang, Q. Gao, C. Liu, C. Shen, X. Liu*, Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network, Composites Science and Technology, 2021, 206, 108666.
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108666
