熔融挤出法制备热塑性塑料/石墨导热增韧复合材料的研究

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本文采用热塑性树脂(HDPE、PP、ABS)与石墨、增韧剂(250B、500A、丁腈胶粉)经双螺杆挤出机熔融挤出分别制备导热型HDPE、PP、ABS增韧复合材料,采用扫描电子显微镜、红外光谱、导热仪及万能试验机等手段研究了偶联剂、挤出温度、螺杆转速、石墨粒径及含量、增韧剂种类及含量对复合材料的力学性能、热导率、热稳定性、结晶度、热膨胀系数及其微观形貌的影响。实验结论如下:  1.经偶联剂NDZ201处理的石墨粒径越小,比表面积越大,与基体的界面结合力越强,界面间的缝隙及空隙越少,从而有效提高复合材料的力学性能与热导率。随着石墨含量的增加,复合材料的弯曲模量及抗弯强度上升,缺口冲击强度随之下降;材料的热导率呈上升趋势,热分解温度提高,热膨胀系数随之下降。  2.加入增韧助剂(碳酸钙增韧母料250B、500A、丁腈胶粉)可有效提高复合材料的缺口冲击强度。由于250B、500A及丁腈胶粉能有效降低材料界面收缩应力,界面缝隙明显减小,并提高了石墨在材料中的体积分数,也易于形成更多导热链,因而增韧剂不仅使复合材料的缺口冲击强度得到提高,其热导率也随之增加,改善了材料的导热性能。  3.在熔融挤出过程中,适当的挤出温度和螺杆转速可提高复合材料的导热性能及力学性能,但过高的挤出温度与螺杆转速下,强烈的高剪切力使物料温度不断升高,引起CaCO3增韧母料分解产生大量小分子,而影响其增韧效果,造成复合材料的缺口冲击强度下降。  4.在较好的熔融挤出条件下(170℃和600 r/min),HDPE/石墨/250B的质量比为45/30/25时,复合材料的热导率达1.720 W·m-1·K-1,是纯HDPE(0.416W·m-1·K-1)的4倍,其缺口冲击强度与纯HDPE相近,HDPE/石墨/250B复合材料的拉伸强度、抗弯强度和弯曲模量为36.9 Mpa,29.9 Mpa,2053Mpa,分别比纯HDPE(拉伸强度24.8 Mpa,抗弯强度15.8 Mpa和弯曲模量832 Mpa)提高48%,89%和1.5倍,同时HDPE复合材料的热稳定性及热膨胀系数均有所改善。  5.PP/石墨/500A复合材料的原料最佳质量比为45/30/25下,复合材料的热导率为0.703 W·m-1·K-1,是纯PP(0.225 W·m-1·K-1)的3倍,缺口冲击强度为12.6KJ/m2与纯PP(13.1 KJ/m2)相近,此时拉伸强度为31.7Mpa与纯PP(36.2Mpa)相比,稍有下降,抗弯强度和弯曲模量为32.2 Mpa,1889 Mpa,分别增加28%和1倍。  6.根据溶解度参数相近原则,选择丁腈胶粉为ABS复合材料的增韧剂。当ABS/石墨/NBR复合材料物料比为60/15/25时,其缺口冲击强度达21.8 KJ/m2远大于纯ABS(2.6 KJ/m2),实现了复合材料由脆性向韧性的转变,其热导率为0.403W·m-1·K-1,是纯ABS(0.184 W·m-1·K-1)的2.2倍。
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