高導熱聚乙烯管道的應用研究

摘要：闡述高導熱聚乙烯管道的特點、材料制備、生產工藝以及高導熱材料的應用研究。高導熱聚乙烯管道系統不僅具有耐熱聚乙烯（PE-RT）管道的使用優點，又具導熱系數高、導熱效率高和散熱效率高的特點，在低溫地面輻射采暖系統中具有明顯的優勢。

關鍵詞：高導熱；耐熱聚乙烯；導熱粒子；采暖系統

1、引言

在冬季采暖系統中，常用的就是低溫地面輻射采暖系統，該系統是以溫度不高于60℃的熱水為熱媒，在管道內循環流動加熱地面蓄熱層，通過地面以輻射為主的傳熱方式向室內供熱的采暖方式。這種采暖系統具有節能環保，發熱均勻，舒適度高，腳暖頭冷符合人體工程學。傳統的PE-RT因其好的耐熱性、耐壓性及使用壽命長而被廣泛應用于低溫地面輻射采暖系統；但是傳統的PE-RT管材的導熱系數在0.2～0.4W/mK，導熱性能較差，散熱效率較低。一般地，為了提高聚乙烯材料的導熱性能通常采用添加導熱填料的方法，即在導熱粒子與聚合物間相互接觸，在聚合物基體內形成由導熱鏈而構成的通路來提高其導熱性能。當填料用量較少時，填料粒子之間是彼此孤立的，沒有接觸和相互作用，一般顆粒狀的粒子在聚合物基體中大多形成“海-島結構”，顆粒被基體包覆，很難形成導熱網絡，“基體-填料”界面增多，界面熱阻增大，熱導率提升不大。隨著填料含量的增加，粒子之間開始相互接觸，當含量達到某一臨界值時，粒子在基體中形成導熱網鏈，導熱性能大幅提升，但是導熱填料的增加會嚴重影響聚合物的物理力學性能。因此為了提高聚乙烯的導熱性能，采用合理的方法制備高導熱性能的聚乙烯管十分重要。

2、導熱材料介紹

耐熱聚乙烯（PE-RT）管道廣泛應用于地面輻射采暖系統中，但是普通的PE-RT導熱性能較差，但是，聚合物本身的熱導率很低，通過改變其自身分子和鏈節結構獲得特殊物理結構或完整晶型得到本征型導熱高分子材料的方法工藝復雜，操作難度大，成本高，不適合大規模生產和應用。而將具有高熱導率的填料對聚合物進行填充，制備填充型聚合物基導熱復合材料，加工工藝簡單，易于實現且成本較低，是目前國內外導熱高分子材料研究的主要方向[1]。

聚烯烴導熱填充材料主要分為：金屬材料、碳材料、陶瓷填料等。金屬材料的填充會使得聚烯烴具有較高的導熱系數，但是由于金屬材料和聚烯烴材料的相容性較差，會影響聚乙烯管道系統的綜合使用性能；碳系材料的密度低、熱導率高并且和聚烯烴樹脂的相容性較好，在聚烯烴高導熱材料中廣泛應用，碳系材料主要分為石墨、碳納米管、石墨烯等；石墨因其良好的導熱性能，低廉的價格和在聚合物基體中較好的分散性，而被認為是最好的導熱填料之一[2]；陶瓷材料具有較好的導熱絕緣性能，在對導熱絕緣領域得到很好的應用，陶瓷填料主要有氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氮化硼等，具有導熱效率高、膨脹性能低、價格便宜等特點，在陶瓷導熱材料中應用較多。

本文主要研究了石墨和氧化鋁對耐熱聚乙烯（PE-RT）導熱性能的影響，以及導熱粒子粒徑的大小、添加比例和導熱粒子組合對導熱耐熱聚乙烯材料性能的影響趨勢。

3、實驗部分

3.1實驗原材料

耐熱聚乙烯（PE-RT）：XP9000韓國大林，MFR 0.61g/10min（190℃，2.16kg），密度0.935g/cm3；石墨微晶1：粒徑約100μm；石墨微晶2：粒徑10μm左右；氧化鋁（Al2O3）：粒徑約2μm；

3.2實驗設備

實驗設備與儀器見表1。

3.3高導熱試樣的制備

3.3.1高導熱材料制備

導熱粒子在使用前進行烘干處理，在110℃電熱鼓風干燥箱中干燥2-4h后，取出后放入干燥器中室溫冷卻；將干燥后的導熱粒子、耐熱聚乙烯樹脂和加工助劑按一定比例在高速混料機中進行混合，混合時間為10-15min；將混合好的高導熱母料在同向平雙螺桿擠出機中進行擠出造粒。

3.3.2高導熱試樣的制備

3.3.2.1高導熱注塑試樣的制備

將制備好的高導熱造粒料加入到注塑機進行注塑加工，其中注塑機工藝為：溫度1區200℃，溫度2區195℃，溫度三區195℃，溫度4區195℃，注射壓力40MPa，注塑試樣為80mm×55mm的樣片；

3.3.2.2高導熱擠出試樣的制備

將制備好的高導熱造粒料加入到單螺桿擠出機制作高導熱耐熱聚乙烯（PE-RT）樣管，其中擠出工藝溫度為：1區180℃，2區185℃，3區190℃，4區195℃，冷卻水溫度20℃，牽引速度10m/min；

3.3.3測試方法及標準

導熱系數測試：將制備的試樣按照GB/T 10279-2015進行測定；

靜液壓試驗按照GB/T 6111進行測定；

力學性能拉伸試驗按照GB/T 8804.3-2003進行測試，溫度23℃，拉伸速率50mm/min；

熔體質量流動速率按照GB/T3682.1進行測定，溫度190℃，砝碼質量2.16kg；

4、實驗結果與討論

4.1 實驗結果

4.1.1導熱粒子、添加比例、拉伸強度、斷裂伸長率和導熱系數見表2。

4.2實驗結論

表2給出了不同粒徑和不同導熱粒子組合在耐熱聚乙烯材料添加后的性能的變化趨勢。石墨微晶1添加比例從6%提高到10%后，復合材料的導熱系數從0.49 W/mK提高至0.58 W/mK；石墨微晶2添加比例從6%提高到8%后，復合材料的導熱系數從0.44 W/mK提高至0.47 W/mK；從上述變化趨勢可以得出隨著導熱粒子的添加比例的增大有利于復合材料導熱系數的提高，粒徑較大的石墨微晶1對復合材料導熱性提升要優于粒徑較小的石墨微晶2，導致上述現象的原因可能是隨著導熱粒子的直徑減小，導熱粒子在基礎樹脂中分散越來越困難，導熱粒子被基礎樹脂包覆而沒有形成導熱通路，從而導致復合材料的沒有得到較大的提升。

從表2可以看出，添加導熱粒子使得耐熱聚乙烯的拉伸屈服強度增加，但是導熱粒子粒徑的大小對材料的斷裂伸長率影響較大；添加粒徑較大的石墨微晶1時，斷裂伸長率明顯下降；這可能是因為粒徑較大的石墨微晶和樹脂基體的相容性較差，并且在界面形成拉伸應力集中點，從而導致斷裂伸長率明顯降低；此外氧化鋁對復合材料的斷裂伸長率影響較小，可以通過氧化鋁和石墨微晶的組合添加兼顧材料的導熱性能和力學性能。

從表3中可以看出導熱粒子在樹脂基體中的分散情況，隨著導熱粒子粒徑的減小分散難度逐步增大，分散不好的時候會產生團聚現象，尺寸較小的導熱粒子被基礎樹脂包覆而沒有形成導熱通路，導致復合材料的導熱性能提升不大。

5、結論

（1）高導熱復合材料的導熱系數隨著導熱粒子的添加比例增加而逐漸提高；

（2）復合材料中添加導熱粒子會增大材料的拉伸屈服強度；

（3）隨著導熱粒子添加比例的增大和導熱粒子粒經的增大，復合材料的斷裂伸長率越差；

（4）隨著導熱粒子添加比例的增大，分散難度逐步增大，容易出現團聚現象，從而導致復合材料導熱性能提升不明顯。

參考文獻

[1]馬傳國，容敏智，章明秋.導熱高分子復合材料的研究與應用[J].材料工程，2002（7）：40-45.

[2]吳賀君，盧燦輝，胡彪，李慶業，劉耀文，劉韞滔. 填充型聚乙烯基導熱復合材料研究進展[J]. 塑料工業，2016（2）：13

作者簡介：姬生利，男，1978年生，工程師，從事高分子材料加工與生產安全技術研究。

（作者單位：沈陽邦勝管業有限公司）