高分子材料热导率影响因素分析
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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
第 33 卷第 10 期
杨海涛等 : 高分子材料热导率影响因素分析
·3 ·
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 Tg , 此时热导率与热容成正比 ; 温度超过 Tg 后 , 热导率 随温度升高而下降 。聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA) 的 热导率在 T > 100 K 时随温度变化符合上述规律 ; 而 在 T < 100 K时则表现出不同的变化规律 。即在 0～5 K时 , 热导率近似地与 T2 成正比 ; 但在 5～15 K 时 出现一个平台区 , 此时热导率几乎与温度无关 ; 在稍 高的温度 , 热导率随温度缓慢增大 。 结晶聚合物的热导率与温度的关系截然不同于非 晶聚合物 。在低温区 , 结晶聚合物的热导率不出现平 台 , 并对结晶度的变化十分敏感 ; 即使有相同的结晶 度 , 不同聚合物的热导率也因晶型不同而出现截然不 同的依赖关系 。对于高结晶度聚合物 (结晶度大于 70 %) , 其热导率随温度升高先增后降 ; 伴随着结晶 度的增大 , 最大值移向低温区 。对低结晶度的聚合物 (结晶度小于 40 %) , 其热导率主要取决于结晶相的 热导率 , 随温度升高缓慢增大 , 直至玻璃化转变温度 附近才出现极大值 , 随后发生逆转 。这一点与非晶聚 合物类似 。但在低于 10 K 的温度区域 , 热导率随结 晶度的增加而降低 。如 115 K时 , 非晶聚对苯二甲酸 乙二醇酯 ( PET) 的热导率是 50 %结晶度 PET 的 10 倍 。因为热导率更依赖于温度的变化 , 所以高结晶度 聚合物的热导率对温度的变化更敏感 。如结晶度为 50 %的 PET , 115 K 和 10 K 时的热导率分别为 10 - 3 W/ (M·K) 和 3 ×10 - 2 W/ (M·K) 。 张晓辉[2]分别选取结晶聚合物的代表 PE 和非结 晶聚合物的代表 PMMA 、聚苯乙烯 ( PS) , 对其热导 率随温度的变化进行了研究 。结果表明 : 结晶度为 12146 %、40138 % 的 PE 试 样 的 热 导 率 比 结 晶 度 为 64142 %、78153 %的 PE 试样的热导率低 ; 且在 75～ 300 K的温度范围内 , 其热导率随着温度升高单调上 升 。而结晶度为 64142 %的 PE 试样在 75～150 K 的温 度范围内 , 其热导率随着温度升高而逐渐地增大 , 当 温度升高至 150 K 左右时达到最大值 ; 继续升高温 度 , 则热导率开始随着温度的升高而逐渐下降 。结晶 度为 78153 %的聚乙烯试样的变化规律与结晶度为 64142 %的 PE 试样类似 , 在 120 K 时热导率达到最 大 , 然后逐渐下降 。 非晶聚合物的热导率明显小于结晶聚合物 , 且随 着温度的升高而单调上升 。 陈祥宝[19]分别在聚苯乙烯 ( PS) 和 PE 中填充合
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
Ξ 作者简介 : 杨海涛 , 1981 年生 , 硕士 , 主要从事功能高分子材料的研究 。yht-726 @sina1com
·2 ·
塑 料 工 业
2005 年
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 3158 W/ (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 。 Weidenfeller B[6]在聚丙烯 ( PP) 中分别加入磁铁 矿粉 [λ = 917 W/ ( m·K) ] 、硫酸钡 [λ≈2 W/ ( m· K) ] 、云母 [λ = 10169 W/ (m·K) ] 、铁酸锶 [λ > 3 W/ (m·K) ] , 铜粉 [λ≈400 W/ (m·K) ] 和玻璃纤维 [λ≈113 W/ (m·K) ] , 注射成型后 , 测其热导率 。结 果表明 : 尽管铜粉的热导率很高 , 但在相同填充量 下 , 所得的 Cu/ PP 复合材料的热导率 [λ= 1125 W/ (m·K) ] 却比用云母作填料时低很多 [λ= 215 W/ (m ·K) ] ; 而采用其它填料的复合材料则比用云母低更 多 。这一方面是因为云母的热导率本身比较高 ; 另一 方面 , 云母在 PP 中形成互连网络的能力远远高于铜 粉。 汪 雨 荻 等[7] 在 聚 乙 烯 ( PE) 中 填 充 氮 化 铝 (AlN) 并考察其导热性能 。在电镜下观察到 AlN 与 PE 结合处存在间隙 , 表明 AlN 不浸润聚 PE。AlN/ PE 复合材料在 AlN 体积分数小于 12 %时 , 其热导率基 本保持不变 ; 当 AlN 体积分数在 12 %～24 %时 , 热导 率增长较快 ; AlN 体积分数大于 24 %后 , 热导率增长 又变慢 ; 当 AlN 体积分数达到 3012 %时 , 复合材料的 热导率达 2144 W/ (m·K) ; AlN 以晶须形态添加 , 对 提高热导率最为有利 , 纤维次之 , 粉体最差 。 Youshida Y[8] 用最常用的导热填料石墨填充 PE , 在石墨质量分数为 40 %左右时 , 复合材料的热导率 为 1116～2310 W/ (m·K) , 拉伸强度为 40～46 MPa 。 李侃社等[9]选用电导率 、热导率较高的石墨 (普 通鳞片石墨 、可膨胀石墨 、膨胀石墨) 对低密度聚乙 烯 (LDPE) 进行填充改性 , 采用钛酸酯偶联剂 NDZ 101 对石墨进行表面处理 , 制备出力学性能 、导电 、 导热等综合性能优良的 LDPE/ 石墨复合材料 。结果表 明 : 石墨的填充大大改善了 LDPE 的导电 、导热和耐 热性能 , 当石墨质量分数达到 20 %时 , 可膨胀石墨/ LDPE 的 电 导 率 达 到 1191 ×10 - 7 S/ m , 拉 伸 强 度 较 LDPE 有小幅提高 , 可作为导热抗静电材料推广应用 。 当用普通鳞片石墨对高密度聚乙烯 ( HDPE) 进行填 充[10] , 并采用偶联剂和磨盘型力化学反应器对石墨
进行表面处理时 , 石墨在 HDPE 中分布均匀 ; HDPE/ 石墨复合材料的升温速率随石墨用量的增加而增大 ; 石墨质量分数为 35 %的复合材料的最大升温速率是 HDPE 的 1175 倍 。 康学勤等[11] 制备了硅酸铝纤维 、氧化铝纤维填 充 PE 和 PP 的复合材料 , 用稳态法考察了纤维用量 对复合材料导热性能的影响 。结果表明 : 复合材料的 热导率基本随纤维用量的增加而增大 。纤维质量分数 为 35 %时 , 复合材料的导热效果最好 。 Hatsuo I[12]用一种新方法得到 AlN/ 酚醛树脂复合 树脂 , 可应用在电子封装工业中 。在 AlN 体积分数达 到 7815 %时 , 复合材料的热导率可达 3215 W/ ( m· K) 。 井新利等[13] 研制出一种以天然鳞片石墨为导热 组分的环氧树脂基复合材料 。结果发现 , 当石墨质量 分数小于 50 %时 , 该材料的热导率缓慢增大 ; 而当 石墨质量分数大于 50 %后 , 该材料的热导率急剧增 大 ; 当石墨质量分数达到 60 %时 , 该材料的热导率 可达 10 W/ (m·K) , 与环氧树脂相比提高了约 50 倍 。 这种复合材料在常温下为半固状 , 具有极好的塑性和 对金属良好的粘接性 ; 当加热到 120 ℃时 , 可转化为 坚硬的固体 , 并具有良好的导热性能和机械性能 。 唐明明等[14] 在丁苯橡胶中分别加入纳米氧化铝 和微米氧化铝 , 发现在相同填充量下 , 纳米氧化铝填 充的丁苯橡胶的热导率和物理机械性能均优于微米氧 化铝填充的丁苯橡胶 。随着氧化铝填充量的增加 , 丁 苯橡胶的热导率增大 ; 但其加工性能和物理机械性能 下降 。 用含 Al2O3 的硅橡胶可制作电子元器件的导热 层 。当 Al2O3 用量是聚合物的 3 倍时 , 材料的热导率 可达 2172 W/ (m·K) , 且具有高阻燃性[15] 。在硅橡胶 中添加金属粉或氮化物 (可从铝粉 、BN 、AlN 中选 择) 和经硬脂酸表面处理的 Al (OH) 3粉末 , 可制得具 有高导热和良好阻燃性的硅橡胶[16] 。 张立群等[17] 系统地研究了不锈钢短纤维 、片状 石墨 、碳短纤维 、铝粉 、Al2O3 粉等 5 种导热填料对 天然橡胶的静态导热性能 、动态温升 、物理机械性能 的影响 。结果表明 : 以石墨为导热填料时 , 所得导热 橡胶的热导率最大 , 当石墨质量分数达 50 %时 , 其 热导率为 1113 W/ (m·K) 。
Analysis of Influence Factor of Polymer Thermal Conductivity
YANG Hai2tao , WEI Bo2rong , YAN Gang , XIAO Yan
( Institute of Polymer Sci1 , Northwestern Polytechnical University , Xiπan 710072 , China)
Keywords : Polymer ; Thermal Conductivity ; Influence Factor ; Fillers ; Temperature ; Crystallinity
随着工业生产和科学技术的发展 , 导热材料广泛 应用于换热工程 、采暖工程 、电子工程等领域 。长期 以来 , 普遍选择金属材料作为导热材料 , 但金属材料 由于抗腐蚀性能差且导电 , 因而限制了其应用范围 。 如在化工生产和废水处理中使用的热交换器 , 要求所 用材料既具有导热能力 , 又要耐化学腐蚀 、耐高温 。 又如在电气电子领域 , 则需要高导热的绝缘材料 。导 热高分子材料目前主要用作导热管 、太阳能热水器 、 绝缘导热材料 、冷凝器等器件 。 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 。
第 33 卷第 10 期 2005 年 10 月
塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY
·1 ·
工业评述
高分子材料热导率影响因素分析 Ξ
杨海涛 , 魏伯荣 , 闫 刚 , 肖 琰
(西北工业大学高分子研究所 , 陕西 西安 710072)
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 。 关键词 : 高分子材料 ; 热导率 ; 影响因素 ; 填料 ; 温度 ; 结晶度 中图分类号 : TQ31713 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 5770 (2005) 10 - 0001 - 04
103
CaO
15
聚氯乙稀 0113～0117
63
NiO
12
聚乙烯
0123
398
Aห้องสมุดไป่ตู้N
320
PMMA
0117～0125
315
SiC
270 聚四氟乙烯
0127
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
Abstract : The influence factors of polymer thermal conductivity were reviewed1The effects of thermal conduct2 ing fillers , temperature , crystallinity , the orientation of molecular chain , density and humidity on the thermal conductivity of polymer were described and analyzed in detail1
材料
Ag Al Ca Mg Fe Cu Au
表 1 材料的热导率 λ [ W/ (m·K) ]
Tab 1 Thermal Conductivity of some materials
λ
材料
λ
材料
λ
417
BeO
219
聚苯乙烯
0108
190
MgO
36
环氧树脂
01211
380
Al2O3
30
聚酰胺 0118～0129
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
第 33 卷第 10 期
杨海涛等 : 高分子材料热导率影响因素分析
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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 Tg , 此时热导率与热容成正比 ; 温度超过 Tg 后 , 热导率 随温度升高而下降 。聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA) 的 热导率在 T > 100 K 时随温度变化符合上述规律 ; 而 在 T < 100 K时则表现出不同的变化规律 。即在 0～5 K时 , 热导率近似地与 T2 成正比 ; 但在 5～15 K 时 出现一个平台区 , 此时热导率几乎与温度无关 ; 在稍 高的温度 , 热导率随温度缓慢增大 。 结晶聚合物的热导率与温度的关系截然不同于非 晶聚合物 。在低温区 , 结晶聚合物的热导率不出现平 台 , 并对结晶度的变化十分敏感 ; 即使有相同的结晶 度 , 不同聚合物的热导率也因晶型不同而出现截然不 同的依赖关系 。对于高结晶度聚合物 (结晶度大于 70 %) , 其热导率随温度升高先增后降 ; 伴随着结晶 度的增大 , 最大值移向低温区 。对低结晶度的聚合物 (结晶度小于 40 %) , 其热导率主要取决于结晶相的 热导率 , 随温度升高缓慢增大 , 直至玻璃化转变温度 附近才出现极大值 , 随后发生逆转 。这一点与非晶聚 合物类似 。但在低于 10 K 的温度区域 , 热导率随结 晶度的增加而降低 。如 115 K时 , 非晶聚对苯二甲酸 乙二醇酯 ( PET) 的热导率是 50 %结晶度 PET 的 10 倍 。因为热导率更依赖于温度的变化 , 所以高结晶度 聚合物的热导率对温度的变化更敏感 。如结晶度为 50 %的 PET , 115 K 和 10 K 时的热导率分别为 10 - 3 W/ (M·K) 和 3 ×10 - 2 W/ (M·K) 。 张晓辉[2]分别选取结晶聚合物的代表 PE 和非结 晶聚合物的代表 PMMA 、聚苯乙烯 ( PS) , 对其热导 率随温度的变化进行了研究 。结果表明 : 结晶度为 12146 %、40138 % 的 PE 试 样 的 热 导 率 比 结 晶 度 为 64142 %、78153 %的 PE 试样的热导率低 ; 且在 75～ 300 K的温度范围内 , 其热导率随着温度升高单调上 升 。而结晶度为 64142 %的 PE 试样在 75～150 K 的温 度范围内 , 其热导率随着温度升高而逐渐地增大 , 当 温度升高至 150 K 左右时达到最大值 ; 继续升高温 度 , 则热导率开始随着温度的升高而逐渐下降 。结晶 度为 78153 %的聚乙烯试样的变化规律与结晶度为 64142 %的 PE 试样类似 , 在 120 K 时热导率达到最 大 , 然后逐渐下降 。 非晶聚合物的热导率明显小于结晶聚合物 , 且随 着温度的升高而单调上升 。 陈祥宝[19]分别在聚苯乙烯 ( PS) 和 PE 中填充合
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
Ξ 作者简介 : 杨海涛 , 1981 年生 , 硕士 , 主要从事功能高分子材料的研究 。yht-726 @sina1com
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塑 料 工 业
2005 年
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 3158 W/ (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 。 Weidenfeller B[6]在聚丙烯 ( PP) 中分别加入磁铁 矿粉 [λ = 917 W/ ( m·K) ] 、硫酸钡 [λ≈2 W/ ( m· K) ] 、云母 [λ = 10169 W/ (m·K) ] 、铁酸锶 [λ > 3 W/ (m·K) ] , 铜粉 [λ≈400 W/ (m·K) ] 和玻璃纤维 [λ≈113 W/ (m·K) ] , 注射成型后 , 测其热导率 。结 果表明 : 尽管铜粉的热导率很高 , 但在相同填充量 下 , 所得的 Cu/ PP 复合材料的热导率 [λ= 1125 W/ (m·K) ] 却比用云母作填料时低很多 [λ= 215 W/ (m ·K) ] ; 而采用其它填料的复合材料则比用云母低更 多 。这一方面是因为云母的热导率本身比较高 ; 另一 方面 , 云母在 PP 中形成互连网络的能力远远高于铜 粉。 汪 雨 荻 等[7] 在 聚 乙 烯 ( PE) 中 填 充 氮 化 铝 (AlN) 并考察其导热性能 。在电镜下观察到 AlN 与 PE 结合处存在间隙 , 表明 AlN 不浸润聚 PE。AlN/ PE 复合材料在 AlN 体积分数小于 12 %时 , 其热导率基 本保持不变 ; 当 AlN 体积分数在 12 %～24 %时 , 热导 率增长较快 ; AlN 体积分数大于 24 %后 , 热导率增长 又变慢 ; 当 AlN 体积分数达到 3012 %时 , 复合材料的 热导率达 2144 W/ (m·K) ; AlN 以晶须形态添加 , 对 提高热导率最为有利 , 纤维次之 , 粉体最差 。 Youshida Y[8] 用最常用的导热填料石墨填充 PE , 在石墨质量分数为 40 %左右时 , 复合材料的热导率 为 1116～2310 W/ (m·K) , 拉伸强度为 40～46 MPa 。 李侃社等[9]选用电导率 、热导率较高的石墨 (普 通鳞片石墨 、可膨胀石墨 、膨胀石墨) 对低密度聚乙 烯 (LDPE) 进行填充改性 , 采用钛酸酯偶联剂 NDZ 101 对石墨进行表面处理 , 制备出力学性能 、导电 、 导热等综合性能优良的 LDPE/ 石墨复合材料 。结果表 明 : 石墨的填充大大改善了 LDPE 的导电 、导热和耐 热性能 , 当石墨质量分数达到 20 %时 , 可膨胀石墨/ LDPE 的 电 导 率 达 到 1191 ×10 - 7 S/ m , 拉 伸 强 度 较 LDPE 有小幅提高 , 可作为导热抗静电材料推广应用 。 当用普通鳞片石墨对高密度聚乙烯 ( HDPE) 进行填 充[10] , 并采用偶联剂和磨盘型力化学反应器对石墨
进行表面处理时 , 石墨在 HDPE 中分布均匀 ; HDPE/ 石墨复合材料的升温速率随石墨用量的增加而增大 ; 石墨质量分数为 35 %的复合材料的最大升温速率是 HDPE 的 1175 倍 。 康学勤等[11] 制备了硅酸铝纤维 、氧化铝纤维填 充 PE 和 PP 的复合材料 , 用稳态法考察了纤维用量 对复合材料导热性能的影响 。结果表明 : 复合材料的 热导率基本随纤维用量的增加而增大 。纤维质量分数 为 35 %时 , 复合材料的导热效果最好 。 Hatsuo I[12]用一种新方法得到 AlN/ 酚醛树脂复合 树脂 , 可应用在电子封装工业中 。在 AlN 体积分数达 到 7815 %时 , 复合材料的热导率可达 3215 W/ ( m· K) 。 井新利等[13] 研制出一种以天然鳞片石墨为导热 组分的环氧树脂基复合材料 。结果发现 , 当石墨质量 分数小于 50 %时 , 该材料的热导率缓慢增大 ; 而当 石墨质量分数大于 50 %后 , 该材料的热导率急剧增 大 ; 当石墨质量分数达到 60 %时 , 该材料的热导率 可达 10 W/ (m·K) , 与环氧树脂相比提高了约 50 倍 。 这种复合材料在常温下为半固状 , 具有极好的塑性和 对金属良好的粘接性 ; 当加热到 120 ℃时 , 可转化为 坚硬的固体 , 并具有良好的导热性能和机械性能 。 唐明明等[14] 在丁苯橡胶中分别加入纳米氧化铝 和微米氧化铝 , 发现在相同填充量下 , 纳米氧化铝填 充的丁苯橡胶的热导率和物理机械性能均优于微米氧 化铝填充的丁苯橡胶 。随着氧化铝填充量的增加 , 丁 苯橡胶的热导率增大 ; 但其加工性能和物理机械性能 下降 。 用含 Al2O3 的硅橡胶可制作电子元器件的导热 层 。当 Al2O3 用量是聚合物的 3 倍时 , 材料的热导率 可达 2172 W/ (m·K) , 且具有高阻燃性[15] 。在硅橡胶 中添加金属粉或氮化物 (可从铝粉 、BN 、AlN 中选 择) 和经硬脂酸表面处理的 Al (OH) 3粉末 , 可制得具 有高导热和良好阻燃性的硅橡胶[16] 。 张立群等[17] 系统地研究了不锈钢短纤维 、片状 石墨 、碳短纤维 、铝粉 、Al2O3 粉等 5 种导热填料对 天然橡胶的静态导热性能 、动态温升 、物理机械性能 的影响 。结果表明 : 以石墨为导热填料时 , 所得导热 橡胶的热导率最大 , 当石墨质量分数达 50 %时 , 其 热导率为 1113 W/ (m·K) 。
Analysis of Influence Factor of Polymer Thermal Conductivity
YANG Hai2tao , WEI Bo2rong , YAN Gang , XIAO Yan
( Institute of Polymer Sci1 , Northwestern Polytechnical University , Xiπan 710072 , China)
Keywords : Polymer ; Thermal Conductivity ; Influence Factor ; Fillers ; Temperature ; Crystallinity
随着工业生产和科学技术的发展 , 导热材料广泛 应用于换热工程 、采暖工程 、电子工程等领域 。长期 以来 , 普遍选择金属材料作为导热材料 , 但金属材料 由于抗腐蚀性能差且导电 , 因而限制了其应用范围 。 如在化工生产和废水处理中使用的热交换器 , 要求所 用材料既具有导热能力 , 又要耐化学腐蚀 、耐高温 。 又如在电气电子领域 , 则需要高导热的绝缘材料 。导 热高分子材料目前主要用作导热管 、太阳能热水器 、 绝缘导热材料 、冷凝器等器件 。 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 。
第 33 卷第 10 期 2005 年 10 月
塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY
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工业评述
高分子材料热导率影响因素分析 Ξ
杨海涛 , 魏伯荣 , 闫 刚 , 肖 琰
(西北工业大学高分子研究所 , 陕西 西安 710072)
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 。 关键词 : 高分子材料 ; 热导率 ; 影响因素 ; 填料 ; 温度 ; 结晶度 中图分类号 : TQ31713 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 5770 (2005) 10 - 0001 - 04
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CaO
15
聚氯乙稀 0113～0117
63
NiO
12
聚乙烯
0123
398
Aห้องสมุดไป่ตู้N
320
PMMA
0117～0125
315
SiC
270 聚四氟乙烯
0127
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
Abstract : The influence factors of polymer thermal conductivity were reviewed1The effects of thermal conduct2 ing fillers , temperature , crystallinity , the orientation of molecular chain , density and humidity on the thermal conductivity of polymer were described and analyzed in detail1
材料
Ag Al Ca Mg Fe Cu Au
表 1 材料的热导率 λ [ W/ (m·K) ]
Tab 1 Thermal Conductivity of some materials
λ
材料
λ
材料
λ
417
BeO
219
聚苯乙烯
0108
190
MgO
36
环氧树脂
01211
380
Al2O3
30
聚酰胺 0118～0129