氮化硼/碳纳米管及氮化硼/石墨烯的三维“桥联”导热网络在聚丙烯基体中的构筑

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等规聚丙烯(iPP)具有很好的耐热性、可加工性和电绝缘性,在民生、工业、国防等领域都有着重要的应用,但其导热性差,导热率约0.23 W m-1K-1,使其在如发光二极管设备、电池及通讯设备等很多新兴的电子电器制造行业应用受限。本文选用六方氮化硼(h-BN)纳米粒子作为主要导热填料,与iPP进行熔融共混制备导热复合材料以提高iPP的导热性;并在此基础上,进一步将导热性更为优异的一维多壁碳纳米管(MWCNTs)及二维石墨烯纳米片(GNPs)分别少量引入到聚丙烯/氮化硼(iPP/h-BN)体系中,构筑出含三维“桥联”结构的绝缘导热网络,以进一步提高iPP的导热性能。(1)以马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)作相容剂,将不同质量分数的h-BN纳米粒子与iPP熔融共混制备成聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯/氮化硼(iPP/MAPP/h-BN)导热复合材料。通过扫描电镜(SEM)、热导分析仪、电导仪、万能力学试验机、旋转流变仪、差示扫描量热法(DSC)对复合材料进行结构和性能表征。结果表明,MAPP的加入有利于提高复合材料的导热性,尤其当h-BN纳米粒子含量较多时,MAPP的加入对复合材料导热性的提升效果更明显。当h-BN的含量为30 w.t.%时,iPP/MAPP/h-BN复合材料较iPP/h-BN复合材料的导热系数提高了9.3%。这是因为MAPP的加入提升了h-BN纳米粒子与iPP的相容性,同时增加了两者的界面相互作用力,进一步降低了由声子散射带来的不利影响。(2)为解决h-BN纳米粒子在低填充量时复合材料导热性差,高填充量时复合材料力学性能差的问题,本文将高导热的一维的MWCNTs与h-BN纳米粒子复合在iPP中以构建出更为高效的导热网络。通过热导分析仪、SEM、旋转流变仪、DSC、万能力学试验机、电导仪的分析表征,结果表明,在iPP/h-BN复合材料中加入少量的MWCNTs就能明显的提升复合材料的导热性,MWCNTs在iPP基体中能有效的将h-BN纳米粒子“桥联”为三维导热网络,同时复合材料还拥有着较好的绝缘性,且MWCNTs的加入还提高了复合材料的杨氏模量和拉伸强度。(3)本文还选用二维GNPs作为高导热填料与h-BN复合,来进一步探究不同维度的碳纳米材料与h-BN在iPP中“桥联”成三维绝缘导热网络结构的差异性,并利用SEM、热导分析仪、电导仪、旋转流变仪、万能力学试验机、DSC表征分析,结果发现,在同等导热复合填料的添加量下,含二维GNPs的复合材料比含一维MWCNTs的复合材料的导热系数和杨氏模量更高、电绝缘性更好。这主要是由于表面积大、导热率更高的二维GNPs更易于与h-BN在iPP中构建三维绝缘导热网络结构。
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