滑石粉对PP料生产的影响。

上几期的文章里跟大家探讨了很多滑石粉针对塑料/塑胶的生产技术。
有PVC的，也有其它的，今天是对PP料生产中滑石粉的作用在那里？
用聚丙烯 ( P )P 为基体 ,不 同粒径滑石粉 为填料 , 通过双螺杆挤 出机挤出制备导热绝缘 的 P / 滑石粉复合材 料。 在滑石粉用量为 30 % 的条件
下 ,探 讨了粒径分别为 脚 的滑石粉对 P P精石 粉复合材 料的热 导率 、 体积 电阻率、 力学性能和结 晶性能 的影 响。 结果表 明 , 随着滑石
粉粒径 的减小 , 复合材料 的拉伸强度 和弯曲强 度呈先增大后减小 的变化趋势 , 而其热导率则呈先减小后增大 的变化 趋势 。 填充粒径 为 12 娜
的滑石粉时 , 复合材 料 的拉伸强度 和弯曲强度达到最 大值 , 分别为 29 . 92 M I〕 a 和 52 . 58 M l〕 a , 比纯 P P 分别提高了 5 . 5 % 和
12 . 8 % 。 填 充粒径为 50 哪 的滑石粉时 , 复合材料的热导率最大 ,达 到 0 . 323 7 w (/ m · K ) , 比纯 P P 提高了 32 . 7 % 。 填充 1: 1
的 粒径 为 12 拌m 和 30 哪 滑石粉混合物时 , P 复合材料 的热导率为 0 . 3 18 4 W / ( m · K ) ,高 于相应 的填充单一粒径滑石 粉 的 P P 复
合材料 。 此外 , 所制备的 P P / 滑石粉复合材料 的体积 电阻率均大于 10 “ n · c m 。 a t i o n 随着微电子高密度组装技术 和集成技术 的
迅猛发 展 , 电子设备 的组装密 度得 以迅 速提高 , 使 电 子元器 件 、 逻辑 电路体积成千 万倍地缩小 。 此时 , 电子设备所 收 稿 日期 : 20
08 一 04一 0 2 * 联 系人 产生 的热量将急剧增加 ; 而 在环境温度下 , 要使 电子元 器件仍能正常工作 , 并具有高可靠性 、 高散热性能的导 热
绝缘材料是热设计 中必不 可少 的关键环节 [` 〕 。 提高聚合物导热性能的途径 有 两 条闭 : 第一 , 合成 自身具有高热导率的结构 型导 热 聚合
物 。 如具有 良好 导热性能的聚乙炔 、 聚 苯胺 、 聚毗 咯等。 结构型导热.

聚合物 主要通 过电子 导热机制实 现导 热 , 或具有完 整结 晶性 , 通过声子实现导热。 第二 , 高导热无机物对聚合 物进行填充 复合制备聚合 物
才无机 物导 热复 合材料 。 前者涉及新型 聚合物的设计与制备 , 投人较大 , 所合成 的聚合物在品种、 性能和 应用 上 均有较大的局 限性 ; 而
后者则可 以根据对材料基本性能 的要求选 择适宜 的聚 合物 , 因而基体材料的选 择面较广 , 更具有工业应用 价 值。 用 于制备导热绝缘聚 合物
材料 的高导 热无机物 主 要有金属氧化物、 金属 氮化物和一 些 矿物填料 。 目前 , 采用填充氮化物 的方 法 来制备高性 能的导热绝 缘 塑 料〔
3 一 5 1的研究报道相 对较 多。 但是 , 氮化铝的 成本较 高 , 不适合工业生产制造低成本 高性能 的导 热绝缘塑 料 。 笔者以 价格便宜 、 来源
丰 富的滑 石粉为 导热填 料 。

初步探讨 了不 同粒径滑石粉填充 P 的导热绝 缘性能 及其对力学性 能的影 响 , 为制备低成本 的导热绝 缘高 分子材 料奠定一定的实验基础 。 1
实验部分 1 . 1 主要原 料 P P , E P 30 0M , 6 测 试。 久 = a e 沪 ( 1 ) 式中 几— 热导 率 , W / ( m · K ) — 热扩散系数 , 澎 s/ , —
比热 容 , J (/ ’g K ) p— 密度 , k g n/ 23 2 结果与讨论 2 . 1 滑 石粉粒径对复合材料力学性能的影响 表 2 为不 同粒径的 滑 石 粉填充 P P
材料 的力 学 性 能。 从表 2 可 以看出 , P P 泞胃石粉复合材料 的拉伸强 度 随着滑石 粉粒径的减小呈 先增大后 减小 的趋 势 , 而其 断裂伸长
率则随着滑石 粉粒径 的减小呈先减小后增大 的趋势。 当滑石粉粒径 为 12 拌m 时 , 材料 的拉伸强 度 和 弯 曲 强 度 均 达 最 大 值 , 分 别
为 29 . 92 M I〕 a 和
导热绝缘复合材料的制备与性能研究 P P 5 2 . 5 M 8 P a , 比纯 P P 分 别提高 了 5 . 5 % 和 12 . 8 % ; 而 断裂伸长率和 冲击强 度则达到最小
值 , 分别为 21 % 和 3 . 8 4 U 1/ 1 22 , 比纯 P P 分别 降低 了 7 . 4 % 和 56 . 6 % 。 这 可能是因为 随着滑 石粉 的粒径 减小 , 更容易分
散 到 基体树脂中 ;并且 由于粒子的 比表面 积较大 , 与基体树 脂之间 作用 相 对较 强 , 有利 于 提高 复合 材料 的刚性 。 当填充粒径较大 的
滑石粉时 , 比表面积减小 , 使得滑 石 粉颗粒在 P P 中的分散程度下 降 , 与 P P 基材 的相互作 用 减弱 , 从而降低了材料 的拉伸强 度 。 然而
, 当所填充 的滑石粉粒径小于 12 拌m 时 , 复合材料 的拉伸强 度有 所下降 , 这可能是由于滑 石 粉粒径过小 , 比表面积急剧 增大 , 表面能迅 速
增加 , 使得粒子 容易发生 团 聚 , 在基 体树脂中分散不好造成的 。 表 2 滑石粉的粒径对 P P /滑石粉复合材料力学性能的影响 T a b . 2 E f fe
e t o f p ar t ie le s iz e of t al e on m ec ha n ica l P r( 〕P e r t l eS 编号 拉伸强度 八Jl〕 a of P P t/ a le 断裂伸长率 Col n op
s l teS 弯 曲强度 月叨 P a 缺 口 冲击强 度。

滑石粉粒径对复合材料导热性能 的影 响反 映了不 同粒径滑 石 粉对 P P 复合材料热导。 率的影响。 。 可 以看出 , 在 P P 中添 加不 同粒径 的
滑石 粉后 , 材料的导热性比纯 P P 都有所增大 。 随着滑 石粉粒径减小 , 复合材料热导率先减小而 后有小 幅增 大。 当滑 石粉粒径 为 50 “ m
时 , 复合材料热导 率达到 最大值 , 为 0 . 3 2 3 7 W / ( m · K ) , 比纯 P P 高 3 2 . 7 % , 当 滑 石 粉 粒 径 为 12 拌m 时 , 复 合 材 料
热 导 率 为 0 . 2 9 7 S W / ( m · K ) , 比纯 P P 高 2 2 . 0 % ; 当滑 石粉粒径 为 6 胖m 时 , 复 合材料 的 热导 率 的 提 高幅度 最 小 ,
为 0 . 2 7 2 7 W / ( m · K ) , 仅 比纯 P P 高 1 1 . 7 % 。 这是 因为 当填料粒径增大时 , 其表面 积将大幅 度减小 , 与之相关 的界面热阻
也会相应减少〔7 ] , 从而提高复合材料的 导 热性能 。 当滑石粉粒径为 3 . 6 脚 时 , 复合材料的热导 率与含 6 拼m 滑 石粉 的复合材料 相 比
, 又 有小幅 的提 高。 其原因这可 能是 当滑 石 粉 的粒径较小时 , 颗粒之 间容易发生 团聚 , 降低了颗粒之间 的界 面面 积 , 从而使 得材料
的导 热性能有小幅度 的提高。

复配滑 石 粉 和未复配滑 石粉 的 P P 复 合材料 的力 学性能 比较。为 30 拼m 滑 石粉 和 12 拜m 滑石粉 以 l : 1 的 比例共混填充 P 的复合材
料 。 可 以看 出 , 复合材料拉伸强 度比在 P P 中单独添 加 3 0 拼m 滑 石粉要高 , 比在 p p 中单独添加 1 2 拜m 滑 石 粉要低 ; 而 断裂伸长
率则 比在 P P 中单独添加 12 拌m 、 30 脚 滑石粉要高 , 达 62 % , 分别 比两种单独添加滑 石 粉的要高 1 90 . 8 % 和 n 9 . 7 % 。 从表 3 还
可 以 看出 , 配方 7 的缺 口 冲击强度为 5 . 07 灯八n 早, 比在 P P 中单独 添加 12 拜m 、 30 拼m 滑石粉的 配方 4 和配方 3 分别要 高 3 2 .
0 % 和 16 . 5 % 。 这是 由于两种不同粒径 的滑石粉 复配后 能够相互填补之 间 的空 隙 , 提高填料 的堆砌 系 数 , 从而提高材料的韧性 。 但
是 , 配方 7 的刚性则有所 下降。 表 3 使用 复配和未复配滑石粉 的 P 复合材料的力学性能 。

结果还表明 ：
滑 石粉和 12 拼m 滑 石粉的混合物的 P 寿骨石粉复合材料 的热导 率为 0 . 3 1 8 4 W / ( m · K ) , 较纯 P P 提高 3 0 . 5 % , 而 比在 P P
中单独添加 12 拜m 和 30 拌m 滑石粉 的热导 率分别 提高 6 . 9 % 和 5 . 6 % 。 这是因为不 同粒径的填料进行 复配 , 会使填料之间能够形成最
大的堆砌度 , 有利于形 成类似 网状或链状的结构形态 , 即形成导热网链 , 从而 使材料获得较高的导 热性 8[, ” 〕 。 2 . 3 滑石 粉粒径对复合
材料结晶性能的影响 就聚合物的导热性 能而 言 , 结晶与无定型 聚合物 是有 差异的 。 因此 , P P /滑石粉复合材料的结晶性能势 必会影响其导热
性能 。 基 于这一 分析 , 进一 步用 D S C 研究 了 P P 寿骨石粉复合材料的结 晶性能。 表 4 列 出 了 各样 品 的 DS C 分 析 数 据 熔 点 ( T
m ) 和 表 观熔 融 烩 ( △H m ) 。 表观结晶度 ( e a ) 由式 ( 2 )计算 [’ 0 〕。 C a = ( △H m怂 H 。 ) X 1 0 0 % ( 2 )
200 8 年 7 月 中 国 塑 料 式中 △H m— 表观熔融烩 , J奄 △H o— 1 0 0 % 结晶 P P 的熔融烩 , Zo g J g/ [川 非金 属 的热能扩散速率 主要
取决 于邻近原 子 的振 动及结合基团 。 在 强 共价健结合的材料 中 , 尤其 在很 低的温度下 , 在有序的晶体晶格 中传热是 比较有效的 , 材料表
现 出 良好的导热性。 然而 , 随着温度升高 , 晶格 的热运动呈 现 抗热流 性增加 和热导率 降低 的趋势 , 而 抗热流性是由于 晶格 中的 缺陷造
成 的。 因此 , 对于 极 度无序的无定形 固体则呈 现很低 的热导率〔`“ 〕。 从表 4 可以看出 , P P / 滑石粉复合材料 的熔点与纯 P P 相 比并
没有多大差别 , 说明 滑石 粉 的加人对基体材料的熔点 基本没有影响 , 即滑石粉 的加人并没有改变基体 的晶 型 。 对照 纯 P 样品 , P 寿骨石粉
复合材料的表观结晶 度都有所下 降。 这可 能是 由于在 P /滑石粉复合材料 中形成了一定程度的 无机填料 网络结构 , 阻碍了 基体 聚合物晶体 的
自由排列 , 从而 降低 了复合材料 的结 晶 度。 当滑 石粉的粒径为 50 拜m 时 , P / 滑石 粉复合材料 的表观结晶度最 高 , 为 30 . 1 % ; 而根
据前面 表 3 的结 果 , 这一样 品的 热导率也是最高 的。 其原 因 在于 表观 结晶度高的材料 , 规整性也较好 , 能够降低在热流方向 上的热阻 ,
从而 有利 于复合材料导 热性能 的提高 。 对 填充 :1 1 的 so 拜m 滑石粉和 12 哪 滑 石 粉的 P P猾石 粉复合材料而言 , 表观结晶度 比单独添
加时的要 高 , 为 3 0 . 1 % , 其热 导率也 比单 独添 加时 要 高。 这表 明填 表 4 P /滑石粉复合材料 的 l芜〔 分析 aT b . 4 1〕吸二an a l
邓is o f P P t/ al e com 户抬 it es 料间形成最大 堆砌度 的 同时 , 对结 晶性 聚合物基体材 料的结晶能力 的影 响相 对小一些 , 材料 的结构
相 对规 整 和完善一些 , 因而可获得相 对较高的热导率 。 2 . 4 P P / 滑石粉复 合材料的绝 缘性能 通过在聚合物基体中填充导热无机物来提高聚
合 物的导 热性能 时 , 有 时会使 聚合物 的绝缘性 能大幅度 下 降 ,从而使其不能作为导 热绝缘材料使用 。 因此 , 进 一步探讨了 P P / 滑石粉
复合材料的绝 缘性能。 为 了便 于 比较 , 将所制备 的 P P / 滑 石 粉复合材 料的 热导 率和 表征其绝缘性能的体积电 阻率及表面 电阻 率数据
列 在 表 5 。 对 P P /滑石 粉复合材料 的绝缘性能 的测 试结果 表明 , 在 P P 中添加不 同粒径的滑 石 粉后 , 复合材料 的 体积电阻率随滑石
粉粒径的减小而增大。 当滑石粉粒 径为 3 . 6 拜m 时 , P P猾石 粉复合材料的体 积电 阻率达 到最大 , 为 6 . 87 x 10 , 。 n · cnr 。 这 可
能是 由于 大粒径 的 滑石粉增大了 颗粒 与基体之 间的接触面 积 , 增大 了载 流子在颗粒与基体 之间的传 导 [ 5 , ’ “ 」, 从 而 导 致粒径
大 的滑 石粉体积 电阻率较小。 一 般来说 , 当材料 的体积 电阻率和表面 电阻率均大于 1 05 时 , 即说材料具有较好 的电绝缘性能。

石粉导热绝缘复合材料的制备与性能研究 P 从图 2 可观察到 , 滑石粉加人到 P P 中后 , P 复合材料 出现 了许多片层结构 , 且片层结构朝着同一方
向分散 于 P P 基体树脂中。 如图 2 ( a) 和 2 ( b) 所示 , 这种形态 容易定向 , 并相互接触 , 为材料提供导热通路 , 从而 提 高 P P 复合材料
的导热性能。 如图 2 ( c )所示 , 当 12 拌m 和 3 0 拌m 滑石粉混合填充 P 时 ,基体与填料之间相容 较好 。 这首先是 因为已表面 处理 的滑 石
粉有利于 提高 基体与无机填料之 间的相容性 , 其次 由于 两种不 同粒 径 的滑石粉复配 后 能够相 互填补粒子之 间 的 空 隙 , 在 填料 间形成
最大 的堆砌度 , 从而 有利于 形成类似 网状 或链状结构形态 , 提高 P P 复合材料 的导 热性能。 这一 形态 结构特征 与样品的热导率测试结果是
吻合的。 3 结论( 1) 滑石粉用 量为 30 % 的 P P / 滑石粉复合材料 的 热 导率 比纯 P P 提高 1 1 . 7 % 一 32 . 7 % , 并且其体积电 阻率均大
于 3 . 9 5 只 1 0` o 。 · 。 m 。 ( 2 ) 添加单一 粒径的滑石粉时 , P P / 滑石粉复合材 料的拉伸强度随着滑石粉粒径的减小呈 先增大后减小
的变化趋势 , 而其 断裂 伸长 率则 随着滑石粉 粒径的 减 小呈先减小后增大的趋势 。 ( 3 ) 用 不同粒径 的滑石粉复配来制备 的 P P /滑 石 粉
复合材 料可 望 获得较优 的综合性 能。 填充 1 : 1 的 12 胖m 和 30 样m 滑石 粉的 P P猾石粉复合材料的 热导 率为 o . 3 18 4 w / ( m · K )
, 比单独填充 12 拼m 和 3 0 拼m 滑石粉的 即 /滑 石粉复合材料提高了 6 . 9 % 和 5 . 6 % , 较纯 P P 提高了 30 . 5 % 。 当 1 2 拜m 和 3 0
拜m 滑石粉混合填 充 P P 时 , 所得到的 P P / 滑石粉复合材料 的致 密性 比填 充单一粒径 的滑石 粉要好 , 基体与填料之 间相容也较 好 。