导热高分子材料的研究与应用

导热高分子材料的研究与应用范晨皓化学工程与工艺三班20060300305

摘要:总结了影响高分子材料导热性能的因素; 阐述和分析了导热性填料种类、温度、结

晶度、分子链取向、密度和湿度对导热性高分子材料热导率的影响。介绍了金属材料、非金

属材料、高分子材料的导热机理, 以及导热填料搀杂高分子材料的导热理论模型。综述了各

种高导热填料的研究进展和它们在导热高分子材料中的应用情况。最后提出了导热高分子材

料的研究方向。

关键词：高分子材料; 热导率; 影响因素; 填料; 温度; 结晶度；应用

Abstract: Summed up the impact of polymer material properties of

thermal conductivity of the factors; and analysis on the thermal conductivity of the type of filler, temperature and crystallinity, molecular chain orientation, density and humidity on the thermal conductivity polymer thermal conductivity. Introduced metal materials, non-metallic materials, the thermal conductivity of the polymer mechanism of polymer mixed with filler and the thermal conductivity of the material model. A variety of high thermal conductivity Summary of the research and fill them in the thermal conductivity of the polymer application. Finally, the thermal conductivity of the polymer research.

Key word:Polymer; thermal conductivity; factors; filler; temperature; crystallinity; Application

近些年来,随着工业生产和科学技术的发展,人们对导热材料提出了新的要求,希望其具

有优良的综合性能,如用于化工生产和废水处理的热交换器既需要具有导热能力,又要求耐化

学腐蚀、耐高温;在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路

的体积成千成万倍地缩小则需要高导热性的绝缘材料。传统的导热材料多为导热性较好的金

属材料,但金属材料不耐腐蚀,使其在某些领域的应用受到限制。目前采用的合金技术和防腐

涂层技术虽然提高了金属的抗腐蚀能力,却大大降低了其导热性。高分子材料具有优良的耐

腐蚀性能和力学性能,因而人们逐渐用其来代替传统金属材料,但纯的高分子材

料一般是不能胜任的,因为高分子材料大多是热的不良导体(见表1) [1 ,2 ] 。

表1 几种塑料的热导率

Tab. 1 Thermal conductivity of some kinds of plastics

W·(m·K) - 1

材料PE2LD PE2HD PVC PP PS PTFE PMMA Nylon

热导率0. 33 0. 44 0. 16 0. 24 0. 08 0. 27 0. 75～0. 25 0. 25

制造具有优良综合性能的导热材料一般有两种途径[3 ] :第一,合成具有高热导率的结构聚合物;第二,在聚合物中填充高导热性的填料,制备导热复合材料。其中第二种方法比较常见,一般

都是用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充。这样得到的导热材料价格低廉、

易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域。如化工生产中的酸化抽水过程,因冷凝的蒸汽中有酸性介质,若用钛冷凝器,使用2 a 后就开始漏水,若改用石墨

填充改性PP冷凝器,其价格仅为钛冷凝器的36 % ,而且使用寿命超过钛冷凝器[4 ] 。

1. 1 导热机理

各种材料的导热机理是不同的。晶体的导热机理是排列整齐的晶粒的热振动, 通常用声子的概念来描述。对于金属晶体, 自由电子的运动对导热起主要作用, 声子所作的贡献大多情况下可以忽略不计。非晶体的导热机理是依靠无规律排列的分子或原子, 围绕一固定的位置的热振动, 将能量依次传给相邻的分子或原子。由于非晶体可看作晶粒极细的体, 因此也可用声子的概念来分析其导热。有些晶体和非晶体, 如具有较好的透射性的玻璃和单晶体, 在

一定温度下光子对导热起明显的作用。由上述可知,固体内部的导热载体分为3 种: 电子、声子、光子。由于金属中存在大量的自由电子, 其热导率比非金属大得多。晶体中由于微粒的远程有序性, 声子起主要作用。在非金属材料中晶体热导率比非晶体大得多。一般高分子材料本身的导热性较差, 是热的不良导体, 只有通过填充高导热性的填料增加材料的导热性能。但填料的加入往往降低了材料的强度性能。填料自身的导热性能及其在基体中的分布形式决定了整体材料的导热性能[ 4 ]。

1.2高分子材料热导率影响因素分析

要控制或提高高分子材料的热导率, 必须知道影响热导率大小的各种因素, 即这些因素对热导率的贡献。本文全面总结了影响高分子材料热导率的因素,阐述和分析了导热填料种类、温度、结晶度、分子链取向、密度和湿度对导热高分子材料热导率的影响。

1 填料种类对高分子材料导热性能的影响

虽然有聚乙炔、聚亚苯基硫醚、聚噻吩等本征型导电、导热高分子材料, 但绝大多数高分子材料本身属于绝热材料。赋予其优异的导热性的主要途径是通过共混(如机械共混、熔体共混或溶液共混等) 的方法在高分子材料中填充导热性能好的填料, 从而得到导热性能

优良、价格低廉、易加工成型的导热高分子材料。表1 是一些材料的热导率[1 ,2 ] 。理想的导热填料需要具备几个条件: 首先, 能够发挥导热能力, 这种能力发挥的优劣取决于填料最终的颗粒形状、颗粒尺寸比、表面特征、本身导热性、环境因素等。其次, 填料具有良好的可填充性, 为获得热导率高的材料, 往往需要向基体中添加足够量的填料。试验证明[3 ] , 使用一系列粒径不同的导热填料, 让填料间形成最大的堆砌度, 可获得导热性较高

的材料。王亮亮等[4 ]用热导率较高的铝粉对聚丙烯(PP进行填充。当铝粉体积分数小于15 %时, 材料的热导率随铝粉体积分数的增加而线性增加, 但增加幅度不是很大; 而铝粉体积分数超过15 %后, 材料的热导率随铝粉体积分数的提高大幅度增加。原因是当铝粉用量较少时, 随铝粉用量的增加, 填料颗粒粘接面的树脂层厚度减薄, 而不能使树脂粘接面网络密度下降, 故材料热导率变化小; 当铝粉体积分数大于15 %后, 随铝粉用量的增加, 树脂粘接面的网络密度减小, 铝粉与铝粉间的接触面积增大, 铝粉彼此之间形成导热链, 故材料的热导率大幅度增加。当铝粉体积分数接近30 %时, 该复合材料的热导率达到3158W/ (m·K) 。将实验结果与Agari Y公式[5 ]进行比较发现, 在体积分数较低(0～15 %) 时, 计算值与实验值较为接近; 而体积分数较高( > 15 %) 时, 计算值与实际值偏差较大。

2 温度对高分子材料导热性能的影响

高聚物的热导率对温度的依赖关系比较复杂。总的说来, 随温度的升高, 高聚物热导率增大, 但结晶聚合物和非结晶聚合物的热导率随温度的变化规律有所不同。各种非晶聚合物的热导率对于温度的依赖性类似。研究证明[18 ] , 在高于100 K 的温度区域, 热导

率随温度的升高缓慢增大, 直至玻璃化转变温度T g ,此时热导率与热容成正比; 温度超过T g