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导热塑料用填料盘点

发布日期:2021/9/13 12:28:54 访问次数:262

01

氮化物

氮化硼(BN)是一种具有较宽禁带宽度的导热填料,具有类似于石墨烯的层状结构特征和晶格参数,由于具有高电击穿及绝缘电阻、热导率、低吸湿率、耐高温氧化的优势,是制备低介电常数、低介电损耗和高导热PBT的理想填料


BN热导率与自身结构有关。BN是由氮原子和硼原子所构成的晶体,其中氮原子和硼原子交替定位,可形成二维共轭。从组成上看,BN具有六方氮化硼(h-BN)、立方氮化(c-BN)、菱方氮化硼(r-BN)和纤锌矿氮化硼(w-BN)四种不同变体。


BN的结构、用量、界面热阻、表面处理及分散等PBTBN复合材料热导率均有影响。而实际应用主要h-BN,其它三种变体较少见。


获得高热导率填充型聚合物材料的前提是在基体中形成有利于声子传导的导热粒子网络。一般而言,聚合物复合材料的热导率随导热粒子填充量的增加而增大。在PBT合材料中,h-BN含量与复合材料的导热性呈非线性增加,当h-BN质量分数>25%后,复合材料的热导率随填料变化不。在BN填料含量较低时,由于BN比表面积较大,界面声子散射导致复合材料的热导率较低。随着BN含量的增加,填料形状和尺寸影响其在树脂基体中形成导热网络节点数目,高长径比粒子的填料易于在基体中形成沿热流方向的导热通路,一旦导热网络形成,材料热导率出现明显增加 。


导热填料与树脂基体的热导率量级差异远不如导体填料与聚合物基体的导电率量级差异大,一般很难在填充型聚合物体系中观察到逾渗行为。然而与片状BN相比,具有小尺寸、大比表面的类团聚状BNPBT基体形成导热网络时,可观察到逾渗突变。此时渗流阈值附近的热导率不完全受经典渗流理论变化控制


此外,由于大比表面的BN粒子间更容易接触形成网络,因此在相同含量下,具有大比表面BN可大幅提高PBT基体的热导率

02

碳材料

碳材料主要包括石墨、碳纤维和碳纳米管。


石墨因其优良的导热性能和价格优势成为改善聚合物热导率和力学性能的重要填料石墨表面羟基、羰基等极性基团含量较少,惰性大,与聚合物基体的粘结性较差,直接影响PBT复合材料的力学性能。因此,改善石墨表面性能尤为关键。


碳纤维(CF)是一种质轻、强度高、耐热、具有较高热导率和电导率的纤维,将CF加入聚合物中,能够在一定范围内提高聚合物力学性能的同时,还能够提高聚合物的导热和导电性能是一种理想的导热填料。


碳纳米管(CNTs)是一种具有特殊结构的一维量子材料,与其它导热粒子相比,高长径比结构的CNTs易在基体中相互接触,形成导热通路,较低含量下可提高聚合物的热导。但CNTs和聚合物基体界面处接触热阻很大,界面声子散射效应使声子传递严重受阻,体系热导率提高有限,无法发挥CNTs超高热导率优势。相同含量下,长尺寸多壁碳纳米管(MWCNTs)PBT间由于具有较小界面热阻,因此具有比短尺寸MWCNTs更高的热导率。

03

氧化物

由于成本相对低廉,金属氧化物填充聚合物一直是制备导热聚合物复合材料的主要方法之一。但单一导热填充会导致需要高的填充量,这会严重影响材料的加工和力学性能。加入第三相聚合物或将两种导热填料复配使用可以解决这个问题。如在PBT/纳米MgO复合材料中,加入第三相,通过调节各相配比控制共混物的双连续相形态,使纳米MgO中分布在第三相中。(质量分数>50%)填充时,纳MgO在基体中会团聚,对导热性能的提升效果并不显著,而且严重影响材料的加工和力学性能。故在PBT/纳米MgO复合材料中,加入第三相聚合物聚酰胺(PA),通过调节PBTPA的配比控制共混物的双连续相形态,使纳米MgO中分布在PA相中,从而获得较好的导热性能。

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