聚乙烯导热复合材料制备与性能.doc

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1、聚乙烯导热复合材料的制备与性能摘要：科研工作者们主要通过两种方法来提高高分子材料的导热性能。一是制备本征型导热高分子材料使材料本身具备高导热性能；二是加入填料制备填充型导热复合材料。本征型导热高分子材料对工艺要求高，难以工业化生产。相比之下，向基体中添加导热填料则是简单而有效的方法。石墨烯由于其独特的二维结构和性质，如零隙带结构、高电子迁移率和高热导率，作为导热填料进行聚合物改性前景广阔。因此，本项目以石墨烯为填料加入聚乙烯基体中，以熔融共混的方法制备导热复合材料。改性后的复合材料与聚乙烯相比导热系数明显提高，其力学强度和热稳定性也有很大程度的提高。关键词：聚乙烯；石墨烯；高分子导热材料；复合

2、材料毕业设计（论文）外文摘要Title Preparation and properties of polyethylene thermal conductive composites AbstractAt present, researchers mainly use two methods to improve the thermal conductivity of polymer materials. The first one is to prepare intrinsic heat-conducting polymer material, so that the material i

3、tself has high thermal conductivity. The second one is to add fillers to prepare filler thermal conductive composites. The intrinsic heat-conducting polymer material has high requirements on technology and is difficult to be industrialized. In contrast, adding thermal conductivity filler to the matr

4、ix is a simple and effective method. Due to its unique two-dimensional structure and properties, such as zero-gap structure, high electron mobility and high thermal conductivity, graphene has a promising prospect for polymer modification as a thermal conductive filler. Therefore, in this project, gr

5、aphene was used as the filler to add polyethylene matrix to prepare thermal conductive composites by melting and blending. Compared with polyethylene, the thermal conductivity of the modified composite material was obviously improved, and its mechanical strength was also greatly improved.Keywords：Po

6、lyethylene; graphene; polymer heat conducting material; composite materials目 录1 引言11.1 研究背景11.2 聚乙烯21.3 石墨烯31.3.1机械剥离法31.3.2外延生长法31.3.3化学剥离法31.3.4气相沉积法41.3.5还原石墨烯氧化物41.4 导热机理41.4.1石墨烯导热机理41.4.2聚合物的导热机理51.4.3石墨烯在聚合物中的导热机理61.5 石墨烯导热复合材料现状71.5.1石墨烯表面功能化71.5.2复合材料加工方法81.6 聚乙烯导热复合材料现状91.6.1无机粒子填料改性91.6.2

7、碳材料填料改性111.7结语122 实验部分132.1 主要实验原料及仪器设备132.1.1实验原料132.1.2实验仪器设备142.1.3原料危险性及仪器原理142.2 石墨烯改性导热聚乙烯的制备实验方案162.2.1石墨烯与聚乙烯哈克共混162.2.2直锁两板式注料压塑机模压成板162.3 性能测试及表征162.3.1石墨烯红外光谱测试162.3.2石墨烯XRD测试162.3.3改性聚乙烯复合材料导热性能测试172.3.4改性聚乙烯复合材料力学性能测试172.3.5改性聚乙烯复合材料微观形貌测试172.3.6改性聚乙烯复合材料热稳定性测试183 实验结果预测及讨论183.1 石墨烯结构18

8、3.2 复合材料导热性能183.3 复合材料力学性能193.4 复合材料电镜分析213.5 复合材料热稳定性223.6 结语234 工程实践244.1 工程问题及其解决方案244.2 生产工艺流程图244.3 工程实践对环境、健康、安全及文化的影响254.4 工程实践对社会可持续发展影响254.5 工程实践中的工程管理原理应用264.6 树立自主学习和终身学习意识、培养自我拓展能力264.7 自觉遵守职业道德和规范，履行岗位责任264.8 思想感悟26结 论28参考文献29致 谢331 引言1.1 研究背景导热材料在航天航空、微电子包装、换热工程、化学工程、太阳能等国防和民用领域应用广泛。这些

9、年来，各行业领域对各种导热功能材料的性能要求随现代科学工程技术的不断迅猛发展而水涨船高。在有些机械或工程设备中希望使用新型材料，期望新材料可以保持旧材料原来的优异性能，例如：机械力学加工性能、电绝缘及力学性能；又具备满足要求的导热性能。例如：在石油化工工业领域，所用高温热交换器被要求具有良好的高温导热能力基础的同时，还要求有优异的耐化学介质侵蚀性；在电子工程领域，要求热界面材料具有优异的热传导性能以减小材料接触界面间的热传导阻力，同时优良的加工性能和较高的力学性能也尤为重要。电子行业发展迅速，功能器件日趋小型化和集成化，导致材料在有限的时间和空间内积攒更多的热量。因此需要导热材料有高的绝缘性，

10、在电场下产生较少的热量，从而延长材料使用寿命。随着现代电子设备的技术集成与应用小型化，热资源管理已俨然成为当前电子设备工业发展中的一个十分关键的问题。在一些高性能计算机中，一些中央处理器控制模块所有必需的系统功率负荷可以达到250 W，导致整个系统中热量的负荷高达1 kW1。如果不能及时进行散热，会严重降低系统的使用寿命和工作效率，甚至容易发生系统故障。在这种高热情况下，迫切需要一种具有高导热性的材料来快速散热以有效解决高温问题2。目前，传统的导热材料多为金属及其氧化物和陶瓷材料如：氮化物、碳化物等。但是由于金属易受腐蚀且介电损耗大，因此在一些特殊应用场合已难以达到符合实际使用上的要求。聚合物

11、具有材料重量轻、成本低、易高温加工、耐酸碱腐蚀等诸多优点。然而，大多数有机聚合物本身是热的绝缘体，其导热系数一般介于0.1-0.5 Wm-1K-1之间3，这主要是由于它们的非晶态结构。固体中有三种载流子可以传输能量：声子、电子和光子4。声子是刚性晶格中的量子化振动模式，是大多数聚合物热传导的基本机制。非晶态聚合物通常被认为有许多缺陷，导致大量声子散射，导致低导热系数。近年来，人们对导热聚合物基复合材料进行了大量的研究。许多具有高导热性的不同材料被用作填料以提高复合材料的导热性，例如氮化硼5（BN）、碳纳米管6 （CNTs）、氧化铝7（Al2O3）、金刚石8和石墨烯9。聚乙烯目前大多数都作为电的

12、电绝缘体使用，但这种优良的绝缘性能也给其应用带来了静电危害。且聚乙烯自身也存在容易变形、结晶速率缓慢、容易燃烧等缺点10。曾有研究者研究表明，聚乙烯塑料中添加纳米粒子有助于改善其导电和导热性能。石墨烯因其独特的二维结构和新颖的特性（如零隙带结构、高电子迁移率和高热导率）而备受关注11。Balandin等人12发表了悬浮单层石墨烯有高达5000 Wm-1K-1的热导率。这是当前世界已知材料中热导率最高的。以石墨烯作为改性剂加入高分子基体中制得复合材料，这可以很大程度提高纯聚合物基体的导热导电性能和气体阻隔性能。1.2 聚乙烯目前人们较为熟知的聚乙烯可以分为三类，即低密度聚乙烯（LDPE），高密度

13、聚乙烯（HDPE）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）。此外还有超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）。（1）低密度聚乙烯是用高压法以自由基反应机理进行的聚合反应生产的聚乙烯。合成工艺条件：以乙烯为单体，有机过氧化物作为反应引发剂，高反应压力100-350 MPa，高反应温度160-270oC。LDPE支化程度高，具有长短不一支链，整体结构不规整，因而其结晶度较低、材料密度小，各项力学强度和耐高温性都比较差，但其韧性好。（2）高密度聚乙烯是用高温低压法合成的。以乙烯为原料，采用Ziegler-Natta催化剂13（TiCl4-Al(C2H5)3、载体MgCl2），聚合结束通入H2控制分子量，聚合温

14、度设定60-70oC范围内进行阴离子型配位聚合反应合成。这种聚合方法也被广泛称为淤浆法，即反应中催化剂悬浮分散于聚合体系引发聚合，最终获得的产品为浆状物，经沉淀后析出。如果聚合过程中不通入H2，即可直接合成高分子量的PE。HDPE支化度低，线型结构，结晶度高、密度大，力学强度、耐热性好，韧性差。（3）线性低密度聚乙烯又常被称为第三代聚乙烯，于1977年首次被发现。乙烯和少量C4-C8的-烯烃在催化剂铬和钛氟化合物（载于硅胶上）的引发下反应，以H2为分子量调节剂，于0.7-12.1 MPa的反应压力和85-95oC的合成温度下进行自由基共聚合制得。LLDPE分子结构比较规整，支链非常短小，与LD

15、PE的结晶程度和分子密度相似。1.3 石墨烯石墨烯是一种经由碳原子紧密堆积后所构成的二维平面晶体，测得的晶体厚度大约为0.34 nm。按常规来说，对于层数小于10的石墨才能称为是石墨烯，层数10的被认定为石墨薄膜。石墨烯自2004年最初被发现以来，便受到世界各国科研工作者的高度关注14。石墨烯以其优良的化学物理性能（如强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳）被广泛地应用于电子、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多科研及实用领域，具有巨大的产业应用发展潜力。石墨烯的平均自由程极高，所以其热传导效率相对较高，同时在高温下比较稳定10。目前，科研实施成功的石墨烯的制备方法主要

16、包括以下五种。1.3.1机械剥离法机械剥离法是将块体石墨烯用机械外力分离出石墨片层的过程。2004年，Geim等15用胶带反复剥离尺寸为1 mm的热解石墨，最终首次获得了单层石墨烯薄膜。以这种方式可以获得到质量比较优良的石墨烯，但因产率极低且费时费力，而不能实现大规模的工业化制备。1.3.2外延生长法外延生长法是指通过控制SiC单晶的生长，使硅表面升华，使材料直接从固相向气相转变，而不遵循二元化合物的化学计量比。硅升华后，留下的自由碳层被重新排列，形成石墨烯以降低能量。除SiC外，也可以在金属表面形成石墨烯。Hofrichter等16首先将无定型的SiC沉积在Si上，再在SiC上沉积一层Ni膜

17、，在1100oC下反应获得石墨烯，反应后，再用湿刻蚀法除去Ni膜，由于SiC溶于Ni层中，会随着Ni层一起除去，最终石墨烯膜直接沉积在Si/SiC基底上。1.3.3化学剥离法化学剥离法是把石墨烯片层以化学方法实现的分离。以化学方法输入某种形式的能量来抵抗石墨烯片层间的范德华力，同时不让其再次重新团聚。与氧化还原石墨烯方法相比，直接化学剥离的石墨烯质量会更好。在最大限度的石墨烯负载浓度的同时减少其随时间的沉降是这种方法的关键。1.3.4气相沉积法化学气相沉积（CVD）是合成石墨烯最常用的方法。这种方法是在金属上生长石墨烯，该技术具有以下优点：有良好的工业设备基础，很方便在实验室中进行研制，因此，

18、具有很好的实现大规模生产的潜力。Cu、Ni是CVD法生长石墨烯最常用的基底。在常压下，温度为900-1000oC时，通过高度稀释的碳氢化合物为原料，可以在多晶Ni膜上生长层数分布为1-10层连续的石墨烯薄膜17。1.3.5还原石墨烯氧化物氧化石墨烯还原是当前制备石墨烯最为广泛的方法14。制备过程如下：首先，将天然石墨通过氧化处理的这种方法直接克服其层间范德华力，可以认为是对其进行表面含氧官能团的修饰改性得到氧化石墨烯。然后再将氧化石墨烯液体超声剥离，再将超声剥离后的氧化石墨烯以催化还原、化学还原和热还原等多种手段还原，进而得到缺陷较少、性能较好的石墨烯。1.4 导热机理复合材料的热导率由导热填

19、料在高分子基体中能否形成相互连接的导热网络决定。所以，当加入较少的填料的时候，填料之间不能接触而形成导热通路。复合材料的热导率在导热填料增加到一定量时可以提高很多，此时填料在基体中分散均匀且形成导热网络。1.4.1石墨烯导热机理在固体材料中，热是由声子和电子携带的18。在金属中，热导率是由电子的自由载流子引起的。石墨烯的热导率归因于声子和电子，因为其金属性质19。然而，电子在石墨烯热导率中的作用相对较小。一般来说，石墨烯的热导率主要由声子来完成20。图1是晶体材料中热传导的示意图，石墨中机理与此类似21。晶格一侧与热源接触时，热以振动的形式传导到第一层原子。由于晶格中原子的密集堆积以及原子间存

20、在强化学键，第一层原子的振动迅速扩散到相邻原子，相邻原子将振动传递到其他相邻原子，导致晶体材料的快速传热。在具有理想结构的石墨烯中，所有的碳原子都通过共价键固定在一层上。当石墨烯中的一些原子与热源接触并开始振动时，振动会在共价键的强力作用下迅速传递给周围的原子。换句话说，石墨烯中的热量从一个位置转移到另一个位置。事实上，用于制备导热复合材料的石墨烯大多是石墨烯纳米片等的多层石墨烯。范德华力在石墨烯各层之间表现出的作用较小，当石墨烯中的某一层受热开始振动时，振动很难隔层传递到与它相邻的石墨烯层。也就是说，热量很难在石墨烯的层间传递。图1 晶体材料中热导率示意图1.4.2聚合物的导热机理聚合物的热

21、传导是一个复杂的过程，它受结晶度、温度、大分子取向等诸多参数的影响22。声子通常被认为是聚合物中的热载流子，因为只有一个自由电子23。Burger和她的同事讨论了非晶态聚合物的传热机理，并使用示意图对其进行了描述，如图2所示24。图2 聚合物导热机制示意图当聚合物的表面与热源接触时，热量以振动的形式传递到分子链的第一当聚合物表面与热源接触时，热量以分子振动的形式快速传递给聚合物分子链临近端的第一个原子，然后是最近的原子，然后是下一个原子。热不以波的形式传递，因而传递得慢一些。分子链中的热传递也会引起原子的无序振动和旋转，从而大大降低聚合物的热导率。一个好的导体有一个完整的晶格结构，原子聚集紧密

22、。当热到达第一个原子时，它会迅速转移到最后一个原子。1.4.3石墨烯在聚合物中的导热机理石墨烯在聚合物中的导热作用机理更为复杂。石墨烯比表面积很大，当把它加入到聚合物中时，会产生大量的界面。这些界面将导致声子散射并引入超高的界面热阻。因此，很难通过石墨烯-聚合物界面进行传热25。有很多研究人员讨论了石墨烯-聚合物材料界面的导热机理。由于石墨烯和聚合物之间的不完全匹配会形成界面，界面处会发生声子的散射并阻碍热传递。假设在同一时间段内，热量能石墨烯的一侧转移到另一侧，但在聚合物中，由于声子散射，热量只能在很短的距离内传递。当填料的负荷低于渗流阈值时，填料之间不能相互连接形成热传导通道。在这种情况下

23、，影响复合材料热导率的主要矛盾为界面热阻。石墨烯进行表面改性可以增强石墨烯-聚合物基体界面间的相互作用，同时可以有效降低界面热阻。在复合材料中，石墨烯起着高导热通道的作用，而改性表面与聚合物基质的分子链提供共价和非共价键，这将促进声子从石墨烯转移到聚合物，并促进声子从聚合物转移到石墨烯26。在许多研究中，研究人员认为聚合物的分子链和石墨烯表面的分子链可以相互交织，形成中间层。这个中间层将减少界面声子散射，并通过相互缠绕的分子链最小化界面热阻27。然而，由于石墨烯的高导热性，热传导在负载量超过逾渗阈值时将成为复合材料中热量传递的主要途径。图3显示石墨烯作为有效热传导通道的情况。图3 石墨烯聚合物

24、复合材料中石墨烯的导热系数随着时间的推移，石墨烯中的热量可以比聚合物基体中的热量传递更长的距离。当复合材料与热源接触时，石墨烯的传热速度很快，从而提高了材料的导热系数。增加石墨烯和石墨烯-聚合物界面之间的热路径和降低热阻是制备高导热复合材料的推荐步骤。1.5 石墨烯导热复合材料现状1.5.1石墨烯表面功能化为使石墨烯在聚合物基体中更好的分散，实验中通常要对石墨烯进行表面功能化修饰处理。总结出的功能化方法有：氨基功能化、烷氧基功能化、异氰酸酯基功能化等等。（1） 氨基功能化胡令等28将不同浓度的改性后带有氨基的氧化石墨烯与聚氨酯预聚物原位聚合得到复合材料。实验中，把3-氨丙基三甲氧基硅氧烷（AP

25、TMS）加入氧化石墨烯中，使其与氧化石墨烯表面的环氧键发生亲核加成反应，把氨基接枝在氧化石墨烯表面。之后复合材料断面经扫描电镜观察，发现当填料加入量在不高于0.33%时，填料在聚氨酯基体中可较好分散。当填料含量高于0.33%时，填料会发生不同程度的团聚，且含量越高，团聚现象越明显。王忠娟29以水合肼还原用2,4-甲苯二异氰酸酯处理的氧化石墨烯得到氨基功能化石墨烯，并与末端含异氰酸根的聚氨酯树脂混合制得复合材料。甲苯二异氰酸酯与氧化石墨烯上-OH反应将-NCO键连接在石墨烯表面，再与水合肼反应后-NCO被还原成伯胺基团。复合材料经透射电镜和扫描电镜观察，表面经过了氨基功能化处理后的石墨烯可良好分

26、散在PU树脂树脂中，并且与树脂间相容性也不错。当氨基化石墨烯质量含量在1%时，观察到复合材料出现一定的均相结构。（2） 烷氧基功能化张越鹏等30将环氧丙基接枝到石墨烯表面得功能化石墨烯。实验中以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为分散剂，在碘化钾催化下，让环氧氯丙烷与氧化石墨烯反应。接枝环氧氯丙烷后，石墨烯热稳定性提高，并表现出一定的疏水性，与环氧树脂类分散体系有较好的相容性。（3） 异氰酸酯基功能化马恒毅31用异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）与水合肼对氧化石墨烯进行改性并还原，超速离心后得到异氰酸酯功能化石墨烯，功能化过程如图4所示。经过IPDI改性之后，石墨烯因接枝异氰酸根而亲油性增加，更容易与

27、油性基体相容。将IMG与醇酸树脂反应制得复合材料，通过热失重分析仪发现，醇酸溶液稳定性在加入IGM后有所提升，但当加入量超过0.9%时，功能化石墨烯发生团聚；经扫描电镜观察，当IMG 加入量为0.5%时，与树脂基体的相容性最好。图4 石墨烯功能化过程综上所述，为减轻石墨烯的团聚现象，通常要对石墨烯进行功能化改性。改性同时考虑到石墨烯与基体的相容性，会用与基体含有相同或相似的官能团小分子对其功能化。1.5.2复合材料加工方法在传统工艺中，石墨烯因容易发生团聚现象很难完好分散在聚合物基体中，故难以大程度地提高材料的导热性能。为了避免此类现象的发生，研究中通常采用机械共混法、溶液共混法、熔融共混法和

28、原位聚合法制备该类复合材料。（1） 机械共混法机械共混法常用于对橡胶的改性中。熊军32等用含硫硅烷偶联剂（双-(g-三乙氧基硅基丙基)四硫化物）处理的多层氧化石墨烯与天然橡胶及氧化锌等其他橡胶助剂在开炼机上进行混炼，后经平板硫化制得复合材料试样。功能化石墨在橡胶基体中有较好的分散性和较好的界面作用。（2） 溶液共混法将石墨烯片溶于溶剂，一般为DMF，再与聚合物或者预聚体溶液混合，经一系列处理后得混合物分散液的方法。对于适当的溶剂，石墨烯能很容易地分散其中。混合溶液中，聚合物基体能吸聚溶剂中的剥离的石墨烯，在除溶剂后使石墨烯插入到聚合物基体中，从而得到纳米复合材料。梁娟33先用异佛尔酮二异氰酸酯

29、与各种助剂制成聚合物预聚体，再将功能化石墨烯溶于DMF中，产生作用下将两种溶液混合，最终得功能化石墨烯/水性聚氨酯分散液。分散液放置在聚四氟乙烯板上，干燥后获得复合材料薄膜。（3） 熔融共混法将石墨烯与受热后呈熔融状态的聚合物基体直接混合来制备复合材料。此法可借助流变仪完成熔融共混过程。这种方法制得的复合材料发生了微观的相变化，并且热稳定性增加。雷学博等34将不同含量的季铵盐功能化的石墨烯与热塑性聚氨酯（TPU）在开炼机上熔融共混，后经平板硫化机制得复合材料板材进行性能检测。当功能化石墨烯含量为0.1%时，其可在基体中良好分散，并能够改善复合材料的拉伸强度及热稳定性。林晨等35把固体CuCl2

30、、FeCl3、氧化石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯按一定的比例，放入Haake密炼机内，在一定条件下熔融挤出得到复合材料样品。通过Cu2+、Fe3+配位的方法，增强了氧化石墨烯与PMMA之间的相互作用，复合材料的抗拉伸性能和热稳定性增大。（4） 原位聚合法将石墨烯或功能化石墨烯与液体单体混合，加入合适的引发剂，在一定条件下完成聚合反应。在原位聚合方法实施过程中，石墨烯能均匀分散于聚合物网络。功能化石墨烯引入的基团也能与基体反应，因而能更均匀的分散在聚合物中。杨秋转36以DMF为溶剂，AIBN为引发剂，用苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚六亚甲基二异氰酸酯制成单体混合液，将石墨烯溶液滴加与单体混合

31、制得复合树脂。通过SEM发现功能化石墨烯在聚氨酯树脂中分散均匀，无团聚现象。1.6 聚乙烯导热复合材料现状1.6.1无机粒子填料改性蔡海等37将氮化铝、HDPE按照一定比例在高速混合机中混合均匀再经挤出造粒制备了复合材料。分析其实验结果得出，AlN可以较大程度地增强聚乙烯纳米复合材料的力学性能和材料的导热性能。随着AlN加入量的增多材料的力学性能变化表现为先增加到达拐点后进一步降低。改性后材料的综合性能在填料占比为9% 时是最好的。复合材料的力学拉伸强度、抗弯强度和抗冲击强度比纯基体分别是提高了47%、31%和51%。复合材料的热稳定性能也随着氮化铝用量的增加，表现出一定程度提高。谷亚新等38

32、将硅烷偶联剂进行表面处理后Al2O3按PERT质量的10%-50%加入到高速混合机中机中共混，再将混合后的物料挤出造粒制得导热复合材料。分析其实验结果得出：偶联剂处理后的PERT/Al2O3复合材料的力学性能与导热性能较纯PERT明显提升。且复合材料的热导率随着加入Al2O3质量含量的增加表现出增大趋势，含量达到50%时导热率比未加的纯基体热导率增加了将近1倍。多从他的研究结果中看出，填料粒径对复合材料的导热率也有影响。当Al2O3填充量相同时，加入粒径为38m的Al2O3的复合材料比加入纳米级别Al2O3的复合材料的导热率提高的更多。当材料中Al2O3的量高于20%时，复合材料的热导率会因受

33、Al2O3粒径影响，随着加入量的增加表现为明显不同的增长趋势。而且，从材料加工角度看，Al2O3加入量在超过30%时，材料流动性降低，影响材料的加工性能。王瑛等39将LLDPE和Al2O3两种粉体手工混合后通过Haake密炼-模压成型的方法制备了LLDPE/Al2O3复合材料。分析其实验结果得出：这种方法中Al2O3可在LLDPE中均匀分散。Al2O3的加入可以提高材料在受到高温时的热稳定性，对LLDPE的熔点和结晶度影响不大。加入适量的Al2O3可大幅度提高复合材料的热导率、介电常数和介电损耗，在加入50%时，材料热导率较纯LLDPE提高了218%。但Al2O3的添加量越多，界面热阻越大，在

34、高温下热导率降低越明显。吴贺君等40以固相剪切碾磨法（S3M）处理原料，制备LLDPE/Al复合材料样品。实验中将LLDPE和铝粉以S3M法制得LLDPE/Al复合粉体，再进行挤出造粒、模压成型。铝粉与LLDPE的混合物颗粒在共碾磨过程中受应力场的加工作用由球形变为片状。这种状态可以使Al粉在基体中分散更好并与LLDPE间的界面结合作用变大。最终制备的材料样品拥有高热导率、优良的综合力学性能和较好的热稳定性。在铝粉加入量80%经碾磨十次后复合材料的热导率由原料的3.126 Wm-1K-1提高到8.782 Wm-1K-1。杜伯学等41将不同质量含量的微米氮化硼颗粒（micro-BN）和微纳米混合

35、氮化硼颗粒（hybrid-BN）与低密度聚乙烯粉体以球磨机混合，热压成型复合材料。分析其实验结果可以得出：加入氮化硼填料可以明显改善聚乙烯基复合材料的整体导热性能，表现为复合材料的导热性随BN填料在基体中的质量分数增大而增强。加入量为40%时的导热系数由原来的0.3 Wm-1K-1增加到0.9 Wm-1K-1。复合材料导热率的提高有利于提升试样的耐电弧性。1.6.2碳材料填料改性卢辉等42将质量分数为20%的SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）和不同质量分数的鳞片石墨和UHMWPE经双轨开炼机混炼，再热压成型得到复合材料。经研究表明，复合材料的导热系数较纯UHMWPE有较明显提高。

36、复合材料由于鳞片石墨在基体中存在部分的取向而表现出各向异性，其导热系数在平行于和垂直于石墨平面的两个方向上也表现出较大程度地不同。石墨含量在40%时，导热系数在平行和垂直于石墨平面方向分别提高了约14倍和5倍。并且石墨和SEBS复合材料的热性能的影响作用相反，只有在鳞片石墨高含量时材料的热性能才得到提高。戴连奇等43用浓硫酸和浓硝酸混合溶液浸泡处理后的不同质量分数的石墨与HDPE在双辊炼胶机下制得导热复合材料。分析其实验结果可以得出：石墨被剥离成薄片，且作为分散相能比较均匀分散在HDPE基体中。当加入石墨的质量含量达到或超过7%时便可以在HDPE中形成导热网络，此时导热系数突然增大；含量在10

37、%时导热系数增加了近2倍之多。复合材料的导热系数与石墨质量分数呈正变关系，而力学拉伸强度、模量和断裂伸长率会随着石墨含量的逐渐增加而不断下降。石墨质量含量在超过7%之后再增加时，复合材料导热系数也会随之较大程度地提高，断裂伸长率下降趋势变缓。程凯44将碳纳米管、抗氧剂和HDPE通过熔融共混法和溶液共混法将物料混合后模压成型制得复合材料。该项目探究了碳纳米管用量及型号对材料导热、力学和加工等性能的影响。分析其实验结果可以得出：复合材料的热导率会随着碳纳米管用量的增加和材料测试实验过程中温度的升高而表现出整体的上升趋势，加入含量在10%时导热率提高了50%左右。其中直径较大的碳纳米管的提高效果更为

38、显著。碳纳米管加入能提高材料热导率的原因是共混过程中可在复合材料中分散并形成导热网络。与此同时，测试温度越高，高分子链段运动越剧烈，这种情况更有助于热量的传递，热导率也表现得越高。另外，研究结果中我们可以清楚看到在碳纳米管用量较少（1%）时，复合材料的热导率比未加时有小幅度下降。分析原因可能是此时界面热阻较大且没有形成有效的导热网络。当碳纳米管加入量超过一定量（6%-10%不等）时热导率依然会下降，此时原因可能是其在基体中分散程度较差。材料的拉伸和弯曲强度均会随着碳纳米管用量的增加而提高，但冲击强度则降低。碳纳米管的加入也使材料的流动性下降，加工性能变差。马连湘等45将氮化硼、多壁碳纳米管、抗

39、氧化剂和HDPE加入双螺杆挤出机造粒，后经注塑成型和模压成型制得导热复合材料。研究中固定填料、基体比例，探究氮化硼和多壁碳纳米管的比例对材料性能的影响。复合材料的导热率在两种填料质量比为1:1时的提高程度最为明显，在100 oC时测得值是在所有样品中最高的，提高了约15%。1.7结语在提高复合材料导热性能的诸多方法中，向基体中添加导热填料无疑是人们公认的最简单而有效的方法。从以上对聚乙烯导热复合材料的研究来看，研究者们用到的填料有Al粉、氮化铝、氧化铝、氮化硼、鳞片石墨、碳纳米管等等。以石墨烯为填料进行聚乙烯改性的研究不多见。从研究实验的设计来看，研究者大都会在石墨烯使用前对其进行表面功能化处

40、理，以增加石墨烯与基体材料的界面相容性。从众多研究者的研究结果中不难发现，加入填料的质量比对复合材料的导热性、力学性能影响很大。填料在高分子基体中能否形成相互连接的导热网络是改性效果好坏的关键。石墨烯作为导热系数最高的填料作为改性剂的研究价值很大。本文采用石墨烯作为填料，加入到聚乙烯中，提高复合材料的导热性。本研究中通过增加其用量来促进导热网络的形成而并未像以往研究中那样为提高其分散相容性进行功能化处理，此种方法石墨烯用量虽多，但相比于其功能化处理操作更简便，更适合工业化制备。2 实验部分2.1 主要实验原料及仪器设备2.1.1实验原料本次设计中所用到的主要实验原料及处理方法见表1。表1 实验

41、原料及处理方法药品级别生产厂家使用方法石墨烯AR廊坊新奥集团干燥后使用去离子水CP天津试剂厂直接使用无水乙醇AR福晨（天津）化学试剂直接使用聚乙烯工业品中国石化齐鲁分公司干燥后使用2.1.2实验仪器设备本次设计中复合材料制备及性能表征所用到的仪器与设备见表2。表2 实验仪器与设备设备名称型号生产厂家电热真空干燥箱DZG-401天津天宇实业有限公司冷冻干燥机FD-1A-50天津博医康有限公司哈克转矩流变仪Polylab OS热电卡尔斯鲁厄股份有限公司平板硫化机YH-14天津锻压机床设备公司导热分析测试仪TC-3000西安夏溪电子科技有限公司同步热分析仪Q-600美国TA仪器公司微机控制电子万能试

42、验机CMT6140深圳新三思计量公司傅立叶红外变换光谱仪VECTOR-22德国布鲁克公司X射线衍射仪MiniFlex-600日本理学株式会社场发射扫描电镜Nano SEM450美国FEI公司2.1.3原料危险性及仪器原理本次实验中所用原料不多，石墨烯、聚乙烯及去离子水均无危险性，无水乙醇易燃，具有刺激性。混炼室内，加入物料受热熔融，并在两个反向转动的转子的剪切力下混合均匀。此过程中，物料对转子有反作用力，这个力将由传感器测量，并转换成扭矩值。扭矩值大小反应了物料粘度大小。本实验中流变仪主要用于石墨烯和聚乙烯的熔融共混。平板硫化机是实验室进行塑料模压成型时最常用设备。仪器有上下两块可加热的模板，

43、实验前对设备预热。实验中将聚合物样品装入模具，整体置于硫化机两模间，加热使其熔化后加压令物料充满模腔，得到制品。本实验用来制作检测性能用的板材。红外变换光谱仪可检测分子中化学键、官能团等的振动状态的变化而绘制红外光谱图。物质吸收后红外光量子后，引起原子和化学键的振动。根据振动时键长和键角的改变对应多种振动频率，其大小可用波数表示。每种基团和化学键，都有其特征的吸收频率。通过分析谱图中频率可获得样品中具有何种官能团和化学键。导热分析仪通过瞬时热线法测定复合材料导热系数。导热系数可由材料温升与时间的函数关系来计算，并能同时获得样品的比热和热扩散率。测定方法一般有十字热线法、平行热线法。十字热线法是

44、在控制样品温度的情况下，将功率恒定的线状电导体埋在表面平整的两块待测样品间，通过测量两个时间点的温度变化计算试样的导热系数。平行热线法是通过测量样品接触面某一特定位置，一段时间内的动态温升来计算导热系数。在测试时，热电偶应平行地安装于距热线特定距离的位置。本实验中用导热分析测试仪测定复合材料样品的导热系数。万能试验机将聚合物材料所受载荷和形变经转换处理得应力-应变曲线。测试时要在一定的温度、湿度及拉伸速度下进行。分析每个试验样条测试时所得的曲线能获知材料的多种拉伸性能指标。本实验中用万能试验机分析材料的力学性能。扫描电镜通过特定检测器收集电子束扫描样品表面时激发出二次电子、背散射电子等经处理获

45、得样品表面三维图像。本实验中用扫描电镜观察复合材料断面，进而判断石墨烯在基体中的分散情况。同步热分析仪通过热天平在程序控制温度下测定样品在受热时的质量变化，可以用来表征样品材料的热稳定性。以时间或温度为横坐标，失重百分率为纵坐标，可得到热重曲线。通过分析热重曲线，可以了解样品在哪个温度范围发生了变化，得到物质在某温度段内失去的质量百分比。将TG曲线对时间或温度进行一阶求导可以得到DTG曲线，DTG曲线上能更明了的观察到质量变化率与时间或温度的关系。热重分析已经是测定材料稳定性的一种成熟的技术。2.2 石墨烯改性导热聚乙烯的制备实验方案2.2.1石墨烯与聚乙烯哈克共混（1）称量不同质量比的石墨烯

46、与聚乙烯样品，具体配合如下表：表3 共混试样配比编号123456石墨烯（g）01.02.03.04.05.0聚乙烯（g）50.049.048.047.046.045.0（2）混合器预热，到170（3）oC后，设置转子转速40 r/min，用纯PE原料清洗流变仪的混合器。（3）分别按试样组别编号将原料装入混合器，点击控制电脑进行流变性能测试，测试时间5 min。（4）将共混好的样品趁热剪成小块，装袋。（5）所有组共混完成后，再次用纯PE清洗混合器。2.2.2直锁两板式注料压塑机模压成板（1）压塑机设定温度180oC，预热2 h，之后保持此温度不变。（2）将共混好的物料在压塑机上压成板材。压塑机平

47、板温度为180oC，模具大小1313 cm。（3）加压过程分两步完成，第一次调压力值1 MPa，维持压力压5 min；之后将压力升至2 MPa，再维持压力压5 min。（4）完成压板后，在压力下冷却。依次重复进行，制得石墨烯改性PE板。2.3 性能测试及表征2.3.1石墨烯红外光谱测试取少量石墨烯固体粉末，与KBr在玛瑙研钵中研成粉末，用压片机压成KBr薄片，然后采用德国布鲁克公司VECTOR-22傅里叶红外测试仪红外分光光度计，扫描范围4000-400 cm-1，测得样品的结构以及所含的基团。2.3.2石墨烯XRD测试在玻璃样品板的凹陷部分均匀填充石墨烯粉末，刮平粉末样品表面，凹陷部分外多余粉末用蘸有酒精的清洁纸擦拭干净，按压成型，然后用日本理学株式会社MiniFlex-600 X射线衍射仪测得石墨烯样品衍射图。测试条件为：Cu靶，管电压40 KV，管电流30 mA