PPS_玻纤_MgO导热绝缘塑料的性能研究[1]

PPS/玻纤/MgO导热绝缘塑料的性能研究

覃碧勋1,2，唐敬海1,2，柯金成1,2，李卫1,2，宁世耀2

(1．东莞金富亮塑胶颜料有限公司 工程技术部，广东 东莞 523285；2．东莞市高分子功能色母材料工程技术

研究开发中心，广东 东莞 523285)

[摘 要]通过双螺杆挤出机将聚苯硫醚与氧化镁(40～325目)混合挤出，同时添加玻璃纤维挤出造粒制备了玻纤增强导热绝缘塑料。研究了导热性能与氧化镁填充量的关系。研究发现热扩散系数和导热率随氧化镁的填充量的增加而增加。玻纤替代部分氧化镁后，导热性能有所降低，但拉伸强度和冲击强度等机械性能得到提升。偶联剂KH-560用量在氧化镁量的0.5 %时可提高材料的导热率和拉伸强度。

[关键词]导热绝缘塑料；热扩散系数；导热率；玻璃纤维；聚苯硫醚

[中图分类号]O625.72 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2008)09-0008-03

Study on Property of Thermal Conductive Insulating PPS/Glass Fiber/MgO

Qin Bixun1,2, Tang Jinghai1,2, Ke Jincheng1,2, Li Wei1,2, Ning Shiyao2

(1. Department of Engineering, Dongguan Jin Fuliang Plastic Pigments Co., Ltd., Dongguan 523285；2. Dongguan

City’s Engineering Research Center for Polymer Functional Masterbatch, Dongguan 523285, China)

Abstract: Thermal conductive PPS plastics were made by compounding PPS, MgO and glass fiber with a twin screw extruder. The relationship of thermal conductivity with the content of MgO was studied. It was found that thermal conductivity increased with the increases of MgO contents. The addition of glass fibers reduced thermal conductivity slightly, however, the mechanical properties increased. Additon of coupling agents of KH-560 could increase the thermal conductivity. A maximum effect appeared at 0.5 % usage of KH-560.

Keywords: insulating thermal conductivity plastics；thermal diffusivity；thermal conductivity；glass fiber；PPS

在电子技术领域，由于电子线路的集成度越来越高，热量的聚积越来越多。热量的集聚导致器件温度升高，工作稳定性降低。因此，一些电子电器用材料要求具有较高导热性能，以便热量迅速传导出，达到降温目的。对于需要绝缘散热的器件多是通过高导热陶瓷，如氮化铝、氮化硼等承担。由于陶瓷产品的加工难度高，易破裂，人们开始寻求由容易加工、耐冲击的塑料来制备导热材料。目前一般热交换用的导热塑料基体为聚丙烯、聚氯乙烯等通用塑料，导热填料主要有石墨、铝和铜

粉及其纤维。随着电子电器产业的迅猛发展，对绝缘导热塑料的需求越来越高，比如电路板绝缘材料、散热器件(如CPU散热器)、CPU风扇、电子隔离板、移动通信设备的外壳。要求既绝缘又导热，加工容易，成本低。文章[1]报道了一种以大颗粒导热填料为主要填料的注射成型的导热绝缘塑料。其采用大颗粒的导热粉体增大填充量，复配细颗粒导热粉体增加导热网络的联通以及添加润滑剂保证一定的可注射流动性，具有较高的导热性能和良好的加工性能。但是其机械强度低，抗弯曲抗

[收稿日期] 2008-05-26

[基金项目] 粤港关键领域重点突破项目招标东莞专项资助项目(2006168304)、广东省科技计划资助项目(2007A010500001) [作者简介] 覃碧勋(1978-)，男，广西河池人，本科，工程师，主要从事工程塑料改性方面的工作。

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折扭的性能较差。因此，文章采用玻纤增强氧化镁填充PPS导热塑料，在保持一定的导热性能的前提下，提高了材料的物理机械性能。

测试；热扩散系数采用德国耐驰公司激光导热仪(LFA447)测试。测试样品为厚度2 mm，直径12.7 mm的圆片，测试温度为30 ℃。导热率按λ＝ρcpα计算，ρ为样品密度，根据氧化镁和PPS的密度(3.58 g/cm3和1.3 g/cm3)据配方比例计算；样品比热cp以氧化镁和PPS的比热(分别按0.94 kJ/(g·K)和1.19 kJ/(g·K)计)据配方重量百分数计算。电性能在北京瑞普电子仪器厂的RP2680高阻仪上，根据GB/T 1410-19测试。

1 实验部分

1.1 原材料及试样制备

PPS：四川得阳科技股份有限公司；氧化镁：TNM-1(40-325目)，上海振泰化工总厂；无碱玻璃纤维：ER13-2000-988，巨石集团有限公司；KH-560：市售。

先将氧化镁与偶联剂(氧化镁用量的0.5 %)，在高速混合机中混合3 min，然后将充分干燥的PPS按配方加入一起混合均匀。将混合物投入挤出机料斗中，经双螺杆挤出机挤出，并同时添加玻璃纤维共挤出造粒，得到导热PPS塑料粒。将该塑料粒子充分干燥后，用注射机注射制样。

每组试验用PPS和氧化镁的量为10 kg，偶联剂按氧化镁用量的0.5 %添加，玻璃纤维的含量以样品经马福炉高温裂解的残余物经酸洗后的剩余物计，用所得剩余物占初始样品的质量百分比减去配方中氧化镁的质量百分比，得到玻璃纤维的百分含量。

2 结果与讨论

2.1 氧化镁填充量对材料导热率和机械性能的影响

氧化镁是一种高导热率的填料，其导热率为40.9 W/(m·K)。不同填充量的氧化镁对PPS复合材料性能的影响列于表1。从表1可见随氧化镁填充量的增加，导热复合材料的拉伸强度呈现降低的趋势，到65 %氧化镁时拉伸强度仍然有36.28 MPa；而复合材料的弯曲强度则没有显著变化；冲击强度的波动则很大，相对平均值高低波动达到10.1 %和16.9 %。冲击强度的较大波动可能是因为高填充的氧化镁较难于PPS基体混合均匀，从而存在许多缺陷所致。随着氧化镁填充量的增加，导热率则有规律的增加。在填充量为65 %时，导热率达到1.46 W/(m·K)，可满足一般性导热塑料的要求。但是由于材料的冲击强度偏低，这种简单混合制备的导热复合材料的使用受到，需要进行增强以扩大使用范围。

1.2 性能测试及表征

冲击强度参照GB/T 1043—1993测试；拉伸强度参照GB/T 1040—1992测试；弯曲强度和弯曲模量参照GB/T 9341—2000

表1 氧化镁填充量对PPS导热复合材料的机械性能和导热率的影响

Tab.1 Effect of MgO content on mechanical properties and thermal conductivity of PPS composites

实验编号 MgO添加量/%

拉伸强度/MPa

弯曲强度/MPa

78. 81.76 78. 80.92

缺口冲击强/(kJ·m-2)

2.07 1.56 2.02 1.86

导热/(W·m-1·K-1)

0.611 0.687 0.812 1.463

1 50 42.33 2 55 38. 3 60 39.50 4 65 36.28

2.2 玻璃纤维增强导热PPS/MgO复合材料的性能

表2和表3是在几种PPS/MgO复合材料中添加玻璃纤维增强后的增强复合材料的机械性能和导热率及电性能的影响。其中，样品1(表1)、5、8(表2)是氧化镁用量为50 %时，添加玻璃纤维为0，10 %，20 %时材料的性能。从数据结果可看出，随玻璃纤维的加入，材料的拉伸强度大幅提高。含玻纤的材料的弯曲强度和冲击强度较不含玻纤的复合材料有显著提高。其

弯曲强度也提高了约15 %，冲击强度提高最大，达到132 %。继续增加玻纤含量到20 %，机械强度相比于10 %，则没有明显增加。其它不同氧化镁与玻纤含量的样品，尽管玻纤含量差别较大，但机械性能的差别都较小，但都比不含玻纤的样品有显著提高。如，含氧化镁70 %，玻纤5 %的10号样品，其拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别较1号样品提高了24 %、9.7 %和108 %，与国外有关导热塑料相比[2]，表中机械性能数据说

中，含10 %玻纤的拉伸强度较不含玻纤的1号样提高了26 %，明添加玻纤后的复合材料可满足一般工业应用需要。

表2 玻纤增强PPS/MgO复合材料的机械性能

Tab.2 Mechanical properties of PPS/MgO composites reinforced by glass fiber

实验编号

玻纤含量/Wt% MgO添加量/Wt%

拉伸强度/MPa

弯曲强度/MPa

缺口冲击强度/(kJ·m-2)

5 10 50 53.5 90.31 4.80

广 东 化 工 2008年 第9期 · 10 · www.gdchem.com 第35卷 总第185期

续表2

实验编号

玻纤含量/Wt% MgO添加量/Wt%

拉伸强度/MPa

弯曲强度/MPa

缺口冲击强度/(kJ·m-2)

6 10 60 56.4 86.49 4.3 7 20 40 57.2 95.45 5.2 8 20 50 59.8 91.21 5.0 9 15 55 57.0 .05 4.9 10 5 70 52.5 86.32 4.3

表3 玻纤增强PPS/MgO复合材料的导热率和电性能

Tab.3 Thermal conductivity and electrical properties of PPS/MgO composites reinforced by glass fiber

实验编号

玻纤含量/Wt% MgO添加量/Wt%

导热率/(W·m-1·K-1)

体积电阻率/(Ω·cm)

表面电阻率/Ω

5 10 50 0.632 2.21E13 5.41E16 6 10 60 1.302 5.62E12 8.32E15 7 20 40 0.604 3.34E13 3.48E15 8 20 50 0.756 7.62E13 7.21E15 9 15 55 0.863 1.18E12 8.85E15 10 5 70 1.696 9.86E12 1.21E16

导热性能方面，材料的导热率随玻璃纤维的加入而提高。这是因为玻璃的导热率比PPS高但比氧化镁低，玻璃纤维的增加，PPS相对减少，从而使导热率提高，但提高的幅度不如相同分量的氧化镁的幅度。比较1号与5号样，玻璃纤维增加了10 %，导热率增加3.4 %，而1号与8号样，玻纤增加20 ％，导热率增加23.7 %，这都明显低于氧化镁增加相应量的效果：从1号样到3号样，氧化镁增加了10 %，而导热率增加了32.8 %。8号样与9号样，总填料量基本相当，机械性能也基本一致，但导热率差别明显，氧化镁高的9号样品的导热率明显高于8号样品。

另外，从7号至8号样，氧化镁从40 %增加到50 %，氧化镁10 %的增加，导热率增加也有25.2 %。这比从1号到3号，氧化镁从50 %到60 %的导热率的增加低了约7 %。导热率在高填充量时的快速增加是因为高填充时导热网络开始建立，即使少量的增加也可使导热网络大大增加[3]。而在初期，网络未形成，增加并不能形成新的导热网络，因此，导热率的增加有限。

氧化镁填充PPS导热塑料的体积电阻在10 Ω·cm，表面电阻在1015 Ω，属于绝缘材料范围。体积电阻接近氧化镁的体积电阻，而表面电阻则大大高于氧化镁的表面电阻。这是因为注射制样过程中，PPS塑料迁移到表面所致。刘苏芹等[4]在对碳黑填充PP抗静电塑料研究中发现较低碳黑量时，注射塑料样品中表面电阻率比模压样品高约10个数量级。这说明样品制备方式对材料的表面电阻率的重要影响也是导致本文中高表面电阻率的原因。

12

图1是偶联剂用量对导热率的影响。偶联剂用量是以其占氧化镁的百分数来计算，所用配方为PPS/MgO=4/6。从图中可见，偶联剂用量在0.5 %时，复合材料的导热率出现最大值。偶联剂增加到0.75 %时，导热率又降低。这是因为，过剩的偶联剂会在填料的表面形成阻碍声子传播的液膜[5]。

0.840.80导热率/(W·m-1·K-1) 0.760.720.6800.20.80.4 0.6 偶联剂用量/%

图1 偶联剂用量对导热率的影响(PPS/MgO=4/6) Fig.1 Effect of coupling agent content on thermal

conductivity (PPS/MgO=4/6)

3 结论

氧化镁填充PPS的导热率随氧化镁填充量的增加而增加，

(下转第17页)

2.3 偶联剂用量对PPS复合材料导热性能的影响

2008年 第9期 广 东 化 工 第35卷 总第185期 www.gdchem.com · 17 · 25002000354(6348)：56-58． [2]Ebbesen T W，Lezec H J，Hiura H，et al．Electrical conductivity of eindividual carbon nanotubes[J]．Nature，1996，382：54-55． -Rima/Ω 150010005000dcba[3]Treacy M M J，Ebbesen T W，Gibson J M．Exceptionallyhigh Young’s modulus observed for individual carbonnanotubes[J]．Nature，1996，381：678-680． [4]Li W Z，Wen J G，Senett M，et al．Clean double-walled carbon nanotubes synthesized by CVD[J]．Chemical Physics Letter，2003，368：299-306． 05001000150020002500[5]Wang J．Electropolymerization on Microelectrodes：Functionalization technique for selective protein and DNA conjugation[J]．Electroanalysis，2005，17(1)：7-14．

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图4 不同电极在2 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的交流阻

抗谱

Fig.4 Impedance spectroscopy of different electrodes in

2 mmol/L K3[Fe(CN)6] solution

上述实验结果同样证明，在所考察的时间范围内，随着球磨时间的延长，碳纳米管促进电活性物质电子转移和扩散的电催化活性不断增强。

Rrel/Ω

[8]刘芙，张孝彬，涂江平，等．碳纳米管的球磨处理及其对储氢性能的影响[J]．太阳能学报，2003，(1)：116-120．

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3 结论

文中研究了机械球磨对MWNTs结构的影响以及不同球磨时间的MWNTs修饰电极的电化学活性。TEM结果显示，碳纳米管的长度随球磨时间的增加逐渐减小，球磨5 h后其长度由原始的5～15 nm减小到100 nm左右。CV显示随着球磨时间的延长，碳纳米管修饰电极的峰电流不断增大，球磨5 h碳纳米管修饰电极的氧化峰电流Ipa增大为18.53 µA，比没有球磨的碳纳米管修饰电极的氧化峰电流Ipa(12.50 µA)增大50 %左右。EIS实验显示，球磨后的MWNTs更能有效地促进Fe (CN)63–的扩散和电子转移。

(本文文献格式：徐吉勇，范旭，孙唯．机械球磨对碳纳米管电化学性能的影响[J]．广东化工，2008，35(9)：14-17)

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参考文献

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(上接第10页)

少量的玻纤可显著提高材料的机械性能，对复合材料的导热率也有轻微提升。氧化镁填充量在50 %～60 %，玻纤填充量10 %时，材料的综合性能较好，满足一般导热塑料的性能要求。偶联剂添加量占氧化镁的0.5 %，对复合材料的导热率贡献最大。

参考文献

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(本文文献格式：覃碧勋，唐敬海，柯金成，等．PPS/玻纤/MgO导热绝缘塑料的性能研究[J]．广东化工，2008，35(9)：8-10)