γ射线辐照高密度聚乙烯氧化铝共混体系的力学性能及导热性能

1、第21卷第6期2005年11月高分子材料科学与工程POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGVO1.21NO.6NOV.2005射线辐照高密度聚乙烯/氧化铝共混体系的力学性能及导热性能刘道龙刘鹏波徐闻罗利琴(高分子材料工程国家重点实验室四川大学高分子研究所四川成都610065D摘要:HDPE经过Y射线辐照后其分子链上引入了羰基等含氧极性基团极性提高,通过在HDPE/氧化铝(A12O3D体系中加入辐照HDPE以及协同增容剂(SynergistD体系的界面相互作用增强力学性能明显提高,由于A12O3具有优良的导热性能因此HDPE/A12O3的热导率明显提高,研究结果

2、表明与HDPE相比V(HDPED/V(Y-HDPED/V(2%Synergist处理A12O3D=56/14/30体系的拉伸强度从26.322MPa提高到32.4MPa冲击强度从23.2k/m提高到35.9k/m;此时体系的导热系数由0.46W/(m-KD增加到1.14W/(m-KD,关键词:高密度聚乙烯;Y射线辐照;氧化铝;导热系数中图分类号:TO325.1+2文献标识码:A文章编号:1000-7555(2005D06-0170-04传统的导热材料多为金属金属氧化物以及其它非金属材料,由于一般聚合物的热传导率低难以用于制作需要散热的配件,为开发导热聚合物材料必须对现有聚合物进行改性,近年来通

3、过在聚合物中填加具有导热性的填料如金属粉末(铜粉铝粉锌粉等D非金属材料(石墨炭黑等D金属氧化物(氧化铝氧化镁等D氮化物(氮化铝氮化硼等D非金属氧化物(二氧化硅等D来增加聚合物的导热性能已经取得了一定的进展,一般而言随着导热填料含量的增加共混体系的导热率增加同时其力学性能也会下降,原因在于聚合物与无机填料的相容性不好,我们曾成功地利用电子束Y射线紫外线等物理方法对聚烯烃填充体系进行辐照增容14显著改善了体系的界面相互作用达到了增强增韧的效果,在此基础上我们尝试采用导热无机填料氧化铝对HDPE进行改性通过辐照增容改善体系的力学性能,本文研究了Y射线辐照对高密度聚乙烯/氧化铝共混体系力学性能的影响并

4、对体系的导热性能进行了研究,11.1实验部分原料HDPE:6098齐鲁石化公司产品Ml0.083g/10min密度0.95g/cm;氧化铝:河南鑫源铝业有限公司产品粒径44pm3.3pm密度3.97g/cm3;协同增容剂(SynergistD:市售,1.2高密度聚乙烯的辐照采用60COY-射线源在室温下空气中对HDPE进行辐照辐照剂量为10kGy剂量率为0.1kGy/h,1.3样品制备及力学性能测试按一定比例称取辐照HDPE氧化铝在双辊开炼机上混炼10min(混炼温度(150 2DcD然后在190c195c模压成厚度分别为1mm和4mm的片材,分别按GB1040-92GB1843-96测试样品

5、的拉伸及冲击性能,1.4性能测试与表征收稿日期:2005-04-11;修订日期:2005-09-02基金项目:国家重点基础研究专项经费资助项目(G1999064809D联系人:刘鹏波第6期刘道龙等:Y射线辐照高密度聚乙烯/氧化铝共混体系的力学性能及导热性能1711.4.1红外光谱分析:将样品制成100pm厚薄膜 采用Nicolet-560型傅立叶变换红外光谱仪检测结构变化01.4.2导热系数的测定:采用瑞典HotDisk公司热常数分析仪测定样品的导热系数01.4.3扫描电镜分析:采用gSM-5900LV型扫描电镜观察试样冲击断口形貌及树脂与填料的结合情况0Fig.1TheFT-IRspectr

6、aofyrayirradiatedHDPEdoserate:0.1kgy/h;1:0kgy;2:10kgy.Fig.2YieldstrengthofHDPE/Al203blendVsAl203contentmatrix:HDPE/Y-HDPE=80/20;A:44pm;B:3.3pm.Tab.1SamplesHDPEV(HDPE)/V(Al203)=70/30V(HDPE)/V(t-Al203)=70/30MechanicalpropertiesofHDPE/Al203blendYieldstrength(MPa)26.331.531.731.932.4Impactstrength(k/m2)

7、23.219.818.323.235.9V(HDPE)/V(Y-HDPE)/V(Al203)=56/14/30V(HDPE)/V(Y-HDPE)/V(t-Al203)=56/14/30Al203:3.3pm;t-Al203=Al203treatedWith2synergist22.1结果与讨论y辐照HDPE的红外分析经Y射线辐照后的HDPE的红外光谱C1=0伸缩振动峰(Fig.1)在波数1720cm处T明显增强0说明经过辐照 HDPE中引入了含氧基团羰基02.2辐照HDPE/Al203体系的力学性能氧化铝是一种具有优良导热性能而且价格体系的冲击强度由19.8k/m2增加至23.2k/2m 在该

8、体系中加入协同增容剂后 HDPE/Y-HDPE/t-Al203(2synergist处理)体系的冲击强度进一步提高 达到35.9k/m20这是由于辐照HDPE分子链上的羰基可以与协同增容剂发生相互作用 使体系的界面相互作用增强 从而体系的力学性能大幅度提高0由Fig.2可以看出 随Al203含量的增加 HDPE/Y-HDPE/t-Al203(80/20/t-Al203)体系的拉伸强度逐渐提高0Fig.3为Al203含量对HDPE/Y-HDPE/t-Al203(80/20/t-Al203)体系的冲击强度的影响0由图可知 随t-Al203(3.3pm)含量的增加 体系的缺口冲击强度急剧增加 出现脆

9、韧转变0当Al203含量为30时 冲击强度达到最大值;当Al203含量过多时 冲击强度下降0当Al203的粒径为44pm时 体系的冲击强度下降 没有增韧效果0低来源广的无机填料0HDPE经Y射线辐照以后 分子链上引入了含氧极性基团羰基 增进了二者界面处的相互作用0为了进一步加强界面相互作用力 我们在体系中添加了协同增容剂0由b.1可知 在HDPE基体中加入abAl203以后 体系的拉伸强度提高 冲击强度下降;单独使用协同增容剂时 HDPE/Al203(70/30)体系的力学性能没有得到改善;当体系中加入辐照HDPE以后 与HDPE/Al203(70/30)体系相比 HDPE/Y-HDPE/Al

10、203(56/14/30)172高分子材料科学与工程2005年热系数为1.14W/(m-K) 含量为40%时 体系的导热系数达到1.58W/(m-K)O在相同含量的情况下 粒径为44pm的氧化铝与HDPE共混体系的导热系数较3.3pm氧化铝体系的高(见Fig.5)O这是由于非金属材料是靠声子传热的 大尺寸粒子的选择有助于降低声子的散射和热阻5 6 从而使导热性提高O2.4扫描电镜分析Fig.6-a为HDPE/Al203体系的室温冲击Fig.3ImpactstrengthofHDPE/Al203blendvsAl203contentmatrix:HDPE/Y-HDPE=80/20;A:44pm;

11、B:3.3pm.随t-Al203含量的增加 HDPE/Y-HDPE/t-Al203(80/20/t-Al203)体系的断裂伸长率下降(Fig.4)O2.3HDPE/Al203体系的导热性能氧化铝的导热率为29W/m-K 并具有优良的电绝缘性能O随着氧化铝含量的增加 HDPE/Al203共混体系的导热系数逐渐增大O当Al203(3.3pm)的含量为30%时 体系的导Fig.4ElongationatbreakofHDPE/Al203blendvsAl203contentmatrix:HDPE/Y-HDPE(10kgy)=80/20);A:44pm;B:3.3pm.(a)V(HDPE)/V(Al2

12、03)=70/30断口形貌 可见Al203颗粒与HDPE树脂基体间界面清晰 填料粒子裸露 大小不均 断裂面平整 体系显示出脆性断裂特征O在体系中加入辐照HDPE或者单独加入协同增容剂(Fig.6-b,Fig.6-c) 也没有明显的变化;HDPE经辐照并加入协同增容剂以后 Al203填料与基体树脂间的界面粘接力得到明显改善 粒子被树脂包裹 断面凹凸不平 基体呈现出屈服后的撕裂特征 存在大量微纤(Fig.6-d) 说明在冲击载荷的作用下基体发生屈服 吸收能量 从而冲击强度提高OFig.5ThermalconductivityofHDPE/Al203blendvsAl203contentmatrix

13、:HDPE/Y-HDPE=80/20;A:44pm;B:3.3pm.(b)V(HDPE)/V(Y-HDPE)/V(Al203)=56/14/30第6期刘道龙等:Y射线辐照高密度聚乙烯/氧化铝共混体系的力学性能及导热性能173(c)V(HDPE)/V(t-Al203)=70/30Fig.6(d)V(HDPE)/V(Y-HDPE)/V(t-Al203)=56/14/30SEMoffracturedsurfaceofspecimenafterimpacttesting(>l000)3结论(1)在室温空气条件下 通过Y射线辐照 可使HDPE氧化 在其分子链上引入(羰基等)含氧极性基团O(2)在H

14、DPE/Al203体系中加入辐照HDPE及协同增容剂以后 体系的界面相互作用增强 共混体系的力学性能明显提高O与HDPE相比 V(HDPE)/V(Y-HDPE)/V(t-Al203)=56/14/30体系的拉伸强度从26.3MPa提高到32.4MPa 冲击强度从23.2kJ/m提高到35.9kJ/m2O2W/(m-K) 含量为40%时 体系的导热系数达到1.58W/(m-K)O参考文献:1XuX.The13thAnnualMeetingofPolymerProcessingSociety(PPS-13) Secaucus N.J. 1997 Abstracts:6-O.2XuW XiaoWD

15、XuX.ChineseJ.Polym.Sci. 1998 16(4):339.3XuW LiuPB LiHB etal.JournalofAppliedPoly-merScience 2000 78:243.4XuW LiuPB.JournalofAppliedPolymerScience 2002 84:814.5IshidaH RimdusitS.ThermochimicaActa 1998 320:177186.6LuX XuG.JournalofAppliedPolymerScience 1997 65:2733.(3)随着氧化铝含量的增加 HDPE/Al203共混体系的导热系数逐渐增

16、大O当Al203(3.3pm)的含量为30%时 体系的导热系数为1.14ASTUDYONTHEMECHANICALANDTHERMALCONDUCTI EPROPERTIESOFGAMMARAYIRRADIATEDHDPE/AlZO3BLENDLI Dao-long LI Peng-bo X Wen L 0Li-gin(StateKayLaolatolyofpolymelMatelzal engzneelzng;polymel e eal n tzt eofSz an nz el zty C engc 610065 C zna)ABSTRACT:Someoxygencontaininggrou

17、ps(mainlyC=0group)areintroducedonthemolecu-larchainofHDPEduringgammarayirradiationinair.TheaffinitybetWeenHDPEandAl203areimproVedoWingtothepolargroupsintroduced.Bytheadditionofsynergist theinterfacialadhe-sionbetWeenirradiatedHDPE(Y-HDPE)andt-STC(treatedWith2%synergist)isfurtherim-proVed themechanic

18、alpropertiesofHDPE/Y-HDPE/t-Al203blendareimproVedguitealot.WiththeincreaseofAl203contentintheHDPEmatrix thethermalconductiVityoftheblendisimproVed WhichisattributedtothehighthermalconductiVityofAl203fillers.Keywords:highdensitypolyethylene;gammarayirradiation;aluminumoxide;thermalconduc-tiVity射线辐照高密度聚乙烯/氧化铝共混体系的力学性能及导热性能作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：刘道龙， 刘鹏波， 徐闻， 罗利琴， LIU Dao-long， LIU Peng-bo， XU Wen，LUO Li-qin高分子材料工程国家重点实验室,四川大学,高分子研究所,四川,成都,610065高分子材料科学与工程POLYMER MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING2