抗静电高导热木塑复合材料研究

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:liak19870702
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为消除工业和家居室内静电危害,提高地暖地板的热量传递效率,本文以木粉/高密度聚乙烯(WF/HDPE)木塑复合材料为研究对象,首先采用偶联剂和增容剂对WF/HDPE复合材料的力学性能进行了优化处理。然后选取具有优异电导率和热导率的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为功能填料,通过机械共混、模压成型的方法制备了抗静电高导热木塑复合材料,同时应用渗流模型描述了 MWCNTs在WF/HDPE复合材料中的导电渗流现象。最后采用偶联剂和表面活性剂对MWCNTs进行了表面改性处理,探讨了 MWCNTs分散性和相容性对WF/HDPE复合材料的电学、热学、力学性能的影响,并结合冷场发射扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射图谱(XRD)、差示扫描量热法(DSC)等表征技术从微观尺度分析了表面改性剂的作用机制。主要研究成果如下:1)WF含量对WF/HDPE复合材料的力学性能有显著影响,力学性能测试表明,在不添加除润滑剂外的任何助剂的情况下,当WF与HDPE的质量分数比为6:4时,复合材料具有最高的弯曲强度、弹性模量和拉伸强度,分别达到18.63MPa、1751MPa、11.80MPa。乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂(A-171)和马来酸酐接枝聚乙烯(MAH-g-PE)对WF/HDPE复合材料的力学性能均有明显的改善作用,单独使用时,A-171修饰WF的增强效果要优于添加MAH-g-PE作为基体增容剂,二者协同处理比单独使用效果更佳。SEM和DSC相互印证了 A-171和MAH-g-PE对复合材料界面性能的改善作用。2)随着MWCNTs填充量的升高,WF/HDPE复合材料的电阻率降低,热导率升高,力学性能下降。当MWCNTs的添加量在0.5~4%时,复合材料的电阻值处于6.56x105~2.73x104Ω,满足GB50174-2017《数据中心设计规范》对防静电墙面、地面的电阻值要求(1.0x109~2.5x104Ω),具有抗静电效果;热导率从0.35W/(m·K)提高到0.66W/(m·K),比纯WF/HDPE复合材料的导热率高90%;同时WF/HDPE复合材料的弯曲强度、拉伸强度和弹性模量分别下降至23.25MPa、14.01 MPa、1950 MPa,但仍满足GBT24137-2009《木塑装饰板》规定的木塑装饰板物理性能要求(抗弯强度平均值≥20.0 MPa,最小值≥16.0 MPa;抗弯弹性模量≥1800MPa)。3)MWCNTs在WF/HDPE复合材料中存在导电渗流现象,电阻率测试结果表明,当MWCNTs的含量达到0.5wt%时,复合材料的电阻率急剧下降了 8个数量级,可以判断MWCNTs在WF/HDPE复合材料中的导电渗流阈值为0.5wt%。应用经典渗流模型对不同MWCNTs含量的复合材料电导率进行拟合分析,计算得出的导电渗流阈值为0.477vol%(0.473wt%),与实验值契合度良好。但导热渗流现象不出现在本论文所研究的0~8wt%的MWCNTs添加范围内。4)采用硅烷偶联剂A-171,表面活性剂PEG、SEDBS,两亲性聚合物PVP对MWCNTs进行表面改性能有效提高MWCNTs在WF/HDPE复合材料中的分散性和相容性,进而提升复合材料的电学、热学和力学性能。其中,A-171处理对降低MWCNTs/WF/HDPE复合材料电阻率的作用最大,使得电阻率下降了 1个数量级,比未处理时降低87.3%,其次是PEG、SEDBS、PVP。PEG对热导率的提升效果最为显著,比MWCNTs未处理时提高了 85.5%,其次是A-171、PVP、SEDBS。对复合材料力学性能的提升效果最为显著的是A-171,改性后复合材料的弯曲强度提升至27.47MPa,弹性模量提升至2399MPa,拉伸强度提升至18.64MPa,比MWCNTs未处理时分别提高5.8%、13.7%、12.9%。实际应用中可以根据抗静电、高导热使用需求的侧重不同分别选用抗静电效果更好的A-171或者导热效果更好的PEG处理MWCNTs。5)采用A-171处理不同质量分数的MWCNTs后将其掺入WF/HDPE复合材料发现,改性后的MWCNTs在复合材料中的导电渗流阈值向左偏移,说明MWCNTs经A-171处理后由于分散性和相容性提高,能够以更低的填充量达到更高的电导率。
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