导热PVC复合材料研究进展

导热PVC复合材料研究进展

李强

浙江双林机械股份有限公司浙江省杭州市311100

摘要：目前我国的航空航天、微电子、电机电器等高科技领域发展极为迅猛，同时对导热材料性能要求也变得更高。传统的导热材料一般为金属材料，但是由于其抗腐蚀性能差、加工工艺复杂且导电等因素，在一些领域中的应用受到了限制。高分子材料具有密度小、耐化学腐蚀、加工成本低、电绝缘性能优等优点，所以在高分子材料的基础上制备出来的导热塑料受到越来越多的青睐。根据全球第二大市场研究机构Mar—ketsandMarkets的研究报告，预计到2020年全球导热塑料市场规模约为75．74亿美元，2015--2020期间年复合增长率高达14．3％。

关键词：导热PVC复合材料；影响因素；研究进展

引言

PVC树脂作为目前最通用的热塑性树脂之一，综合力学性能优良，具有阻燃效果佳、耐化学腐蚀等优点，且性价比高，原料来源广，被广泛应用于多种领域。PVC树脂易被改性，在其基础上进行导热性能改性具有重要的应用研究价值。本文分析了导热PVC复合材料的主要影响因素和研究进展，以供参考。

1导热PVC复合材料的影响因素

1.1PVC树脂基体的影响

PVC树脂基体作为导热复合材料最主要的组成部分，其自身的性质对整个复合材料体系的导热性能有很大的影响。PVC作为高分子材料，没有自由电子，热量的传递主要依靠声子来进行传递，具有晶体结构或取向的分子通过声子振动传递能量的效率较高，同时由于PVC树脂颗粒之间的孔隙在热传导过程中容易形成热阻，因此提高PVC树脂的结晶度和降低其内部的孔隙有利于提高热导率。

1.2导热填料的影响

PVC复合材料的导热填料一般包括金属填料和非金属填料。填料的种类不同，其导热机制、提高导热系数的效果也不同，部分材料的热导率如表1所示。

表1一些金属和非金属的热导率

金属填料由于自身有较高的导热系数，添加到PVC基体中能够有效地提高PVC的导热系数。有研究表明，填充24％的铜粉，PVC树脂导热系数能够提高2倍以上。铜粒子可以作成核剂，可以提高复合材料的结晶度，结晶度的提高可以提高PVC的导热系数，同时PVC填充铜粉后较之前显示出了比较好的热稳定性。一般可以作为导热金属填料的材料有银、铜、镁、镍等粉末。无机非金属的导热主要依靠声子，声子的导热性能与声子间相互散射带来的散射热阻相关，因此晶体缺陷越少，散射热阻越小，材料热导率越高。与金属填料相比，无机非金属填料填充制备的复合材料电绝缘性能更好，综合性能更加优异。在导热PVC复合材料中用到的无机填料主要包括氮化物、氧化物、碳化物等。

1.3PVC基体与导热填料界面的影响

导热PVC复合材料是PVC树脂和导热填料复合而成的多相体系。能量的传递必然要经过它们之间的结合界面，因此各个相之间的结合界面也是影响材料整体导热系数的重要因素。如果填料与PVC树脂相容性较差，导致界面之间存在间隙，则会增加热量传递的热阻，因此PVC树脂和导热填料之间有良好的相容性可以降低热阻，提高复合材料整体的导热系数。根据填料种类的不同选择合适的偶联剂或表面处理剂，可以提高树脂基体和填料的相容性。经偶联剂处理后的填料其吸附、润湿、分散等一系列表面性质都会发生变化，可改善其在PVC树脂中的分散情况，从而提高基体材料的导热性能，且其力学性能降低不明显。

2导热PVC复合材料的研究进展

具有高导热性能的纳米金属填料是导热PVC复合材料的重要研究方向。何栋等利用硅烷偶联剂（KH一550）对纳米氧化铝进行有机化处理，并通过熔融共混制备了PVC/纳米氧化铝复合材料。结果表明：经过表面改性的纳米氧化铝粒子在PVC基体中分布均匀；加入纳米氧化铝改善了复合材料的热性能和力学性能。

膨胀石墨（EG）作为一种高导热材料，常被用作导热增强剂。以EG为导热填料，利用先开炼后模压的成型方法，制备EG增强导热PVC复合材料，研究结果表明：EG以石墨微片存在于树脂基体中，并随着含量的增加逐渐增强板材的导热性，当EG质量分数为30％时，板材法线方向上的导热系数较添加前增大了73．2％。

由于熔融混炼存在着不可避免的基料浪费和有害气体排放的问题，随着环保要求的提升，国内也展开了对粉料混合的研究。以自制的搅拌球磨机作为机械活化固相反应器，PVC作为基料，石墨为导热添加剂，采用粉末共混法将石墨与PVC在球磨反应器中共混制备PVC/石墨导热复合板材，通过机械活化可以使石墨片层剥离并包裹于PVC表面，压板后片状的石墨填充于板材之间形成导热网链使PVC的热导率升高，制备的复合板材热导率为0．38944W/（m•K），是纯PVC树脂的近6倍。该方法反应过程简单，操作方便，生产及反应过程中没有工业“三废”的产生。

石墨烯是近年来发展迅猛的纳米碳材料，其在导热领域与碳纳米管等纳米碳材料一样有出色的表现，被广泛应用于制备聚合物/石墨烯导热复合材料。赵笛等采用乳液共凝聚的方法得到预分散的羧基丁腈橡胶（XNBR）/石墨烯复合材料，再将PVC与XNBR/石墨烯复合材料通过熔融复合制备PVC/石墨烯纳米复合材料。结果表明：PVC/石墨烯纳米复合材料的力学性能、热稳定性能和导电性明显提高。

高导热绝缘材料是目前很有前景的研究方向，PVC在电力设备及电子器件中被广泛用作绝缘材料，但由于其导热系数较低，严重制约了其在绝缘领域的发展。基于此，上海交通大学化学化工学院江平开教授研究团队提出利用氮化硼纳米片（BNNS）构筑三维导热结构的方法增强聚合物材料的导热系数。该团队制备的导热复合材料在低氮化硼纳米片含量（体积分数仅9．6％）下，导热系数可提高约14倍，刷新了聚合物绝缘材料的导热增强效率记录。

结语

随着科技的发展和研发的不断深入，PVC树脂基导热复合材料的制备技术不断提高，综合性能也取得了较大的提升，其在微电子、电气、化工等领域中将有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]计静琦，沈芳，胡华宇，等．机械活化制导热PVC板材研究综述[J]．大众科技，2012（1O）：68—69．

[2]刘科科，汪涛，蔚永强，等．高分子复合材料用导热填料研究进展[J]．塑料工业，2013，41（4）：6-9．