木质导热材料的导热性能及强化导热机理研究∗

张桂兰 张振涛 仇洪波 李 博 山其米克

随着国家节能减排、低碳环保理念的提出，我国在供热体制上发生了很大的变化，以低温热水辐射和电热辐射为主要采暖方式（以下简称地热采暖）的范围逐渐增大，逐渐代替原有的火炉供暖和暖气供暖，火炉供暖和暖气供暖能耗高、利用率低、占用室内空间大，环境污染严重，而地热采暖能很好地解决上述问题，可以预见，地热采暖未来会有更好的发展[1-3]。因此，开展木质材料的功能化技术研究，开发木质功能化新材料，创制高附加值新产品，是解决家装制品同质化、低值化问题的重要措施，是提高木材利用率的重要手段，对实现家装制品行业的跨越式发展具有重大意义。

木质导热材料是将导热系数高的导热填料填充在导热系数低的木质基体材料内制备而成的一种新型功能材料。因为导热填料的热导率远远高于基体材料，所以无论填料能否在基体中形成“导热网络”，都会提高复合材料的导热性能[4-6]。导热填料的填充量有一个“渗滤”阀值，当超过“渗滤”阀值时，复合材料的导热系数会以高于填充量在“渗滤”阀值以下的速度增加，此时一般认为填料在复合材料中已形成了大规模导热路径，当导热材料填充量过高时，热导率明显提高，却会造成强度降低[7-12]。

1 试验材料、设备和方法

1.1 试验材料及设备

1）杨木纤维：含水率10%～12%，北京柯诺木业有限公司；脲醛树脂胶：固含量49%，北京柯诺木业有限公司；石墨粉：300、700、2 500目，北京吉兴盛安工贸有限公司；三氧化二铝，氧化镁：白色粉末，科普佳（北京）实验仪器有限公司；钛酸酯偶联剂：淡黄色透明液体，科普佳（北京）实验仪器有限公司；KH-560偶联剂：无色透明液体，科普佳（北京）实验仪器有限公司；丙酮：分析纯，无色液体，科普佳（北京）实验仪器有限公司。

2）万能力学实验压机（BY602×212 150T）:垫压板幅面为500 mm×500 mm， 新协力（苏州）企业发展有限公司出品；JW-Ⅲ型热流计试导热仪：东方奥达（北京）仪器设备有限公司。

1.2 试验方法

1）正交试验设计。

设定密度为0.7 g/cm3，固定工艺因素：施胶量10%、热压温度160～180℃、热压时间300 s和热压压力3 MPa。考察石墨填充量、石墨粒径大小、偶联剂种类对材料力学性能和导热率的影响。根据因素水平设计正交试验表 L9（34）如表1 所示。

2）试验方法。

力学性能测试方法及标准：根据国标GB/T 11718—2009《中密度纤维板》进行。

导热系数测试方法：将试件放于相互平行的两个面板之间，即冷板和热板之间，待板面温度恒定不变，热流计、试件测量部分具有恒定热流时，即测试状态稳定后，记录冷、热板热流计输出热电势mv2、mv1，并记录板面温度T3、T4、T5、T6数值，根据公式计算任意温度下的热阻R。同时，根据试件厚度，算出试件的导热系数λ值。

表1 导热系数极差分析结果Tab.1 The thermal conductivity range analysis results

2 结果分析与讨论

2.1 材料导热系数的影响因素

木质材料导热系数极差分析结果如表1所示，R值反映不同因素对材料导热系数的影响，RB＞RA＞RC表明了石墨粒径对材料的导热系数影响最显著，其次是石墨填充量，偶联剂种类的影响最不显著。K值反映了同一因素的不同水平对材料导热系数的影响。具体影响见图1、2、3。

图1 石墨填充量对导热系数的影响Fig.1 The effect of the amount of graphite fi lled on thermal conductivity

图2 石墨粒径对导热系数的影响Fig.2 The effect of the graphite particle size on thermal conductivity

图3 偶联剂种类对导热系数的影响Fig.3 The effect of different coupling agents on thermal conductivity

2.1.1 石墨填充量对导热系数的影响

如图1所示，随着石墨填充量增加，材料导热系数呈上升趋势，石墨填充量15%时，导热系数0.149 W/(m·K)。因为石墨填充量少，石墨在木纤维表面不能形成连续的相，从而不能形成连续的导热网络，材料的导热系数小。随着石墨填充量的增加，石墨之间的距离缩短，石墨之间形成了连通的导热网络，故材料的导热系数提高。

2.1.2 石墨粒径对导热系数的影响

图2表明，材料的导热系数随着石墨粒径的减小而增大，相同的填充量，石墨粒径300目时材料导热系数最小， 700目时材料导热系数明显提高， 2 500目时材料导热系数最大。因为粒径减小，石墨的比表面积增大，粒子与粒子之间接触的几率增加，容易形成“导热网络”，所以材料的导热系数提高。随着石墨粒径减小，石墨晶格的数量在材料中增多，热量传递效率提高。当然，石墨粒径并不是越小越好，石墨粒径过小，材料中孔隙率增大,热导率降低。这是由于材料的孔隙率增大,晶格缺陷增多,导致声子的散射程度增加，从而导致热导率下降。

2.1.3 偶联剂种类对导热系数的影响

如图3所示，未经偶联剂处理的材料导热系数最小，石墨经KH-560处理后，材料导热性能略有提高，石墨经钛酸酯处理后，制备的复合材料导热系数最高。因此，钛酸酯偶联剂是改性石墨的最佳选择[13-15]。这是因为KH-560和钛酸酯的偶联机理不同，KH-560是硅烷偶联剂，基本官能团为甲氧基，需要先水解形成硅醇基后才能与石墨、木纤维表面键合，而钛酸酯中的基本官能团为烷氧基，可以直接与石墨、木纤维表面键合形成单分子层[16-20]，因此保持了较高的偶联效率。

2.2 优化工艺验证

经筛选获得优化工艺为：石墨填充量为15%，石墨粒径为2 500目，偶联剂为钛酸酯偶联剂。用氧化镁导热填料做参照，在上述优化工艺因子条件下制备导热材料并检测其力学性能及导热性能，结果见表2。

表2 验证试验结果Tab.2 Verif i cation test results

表2显示，导热填料的使用可以显著改善复合材料的导热系数，但力学性能指标均有不同程度的变化，材料的静曲强度、弹性模量和内结合强度均有下降，但下降后材料的各项性能指标均符合国标GB/T 11718—2009的要求。

2.3 木质导热材料导热机理研究

2.3.1 导热理论分析

图4 木质导热材料结构示意图Fig.4 Structure diagram of wood thermal conductive material

木质导热材料的结构如图4所示，导热的碳纳米粒子填充在纤维与纤维之间，形成了较为均匀的导热网络。根据导热基本定律——傅里叶定律，确定木质导热材料内部传热方式包括热传导和热辐射两种形式（如图5所示）。未加碳纳米粒子材料的传热形式为纤维与纤维之间是热传导、纤维与间隙之间是热辐射(如图5a)以及空气热对流，而加了碳纳米粒子的材料，其热传导形式和热流量发生了变化，首先在原有的传热形式和传热量不变的情况下增加了纤维与碳纳米粒子的热传导、碳纳米粒子之间的热传导(如图5b)，所以材料的热流量的增加是显然的。

图5 木质材料传热过程示意图Fig.5 Structure diagram of heat transfer process of wooden materials

2.3.2 木质导热材料板面温度测试验证

表3 对比试验Tab.3 Comparative test

在相同热流量、相同厚度的情况下，不加碳纳米粒子制备的木质材料，传到上表面的温度为41.50 ℃。而传到导热复合材料上表面时温度为47.95 ℃。可见，添加碳纳米材料可以显著提高材料的热量传导效率、减少热损失，降低锅炉燃煤量，对低碳环保、节能减排有重要的意义。

3 结论

以木纤维为主要原料，以石墨为导热填料制备木质导热材料,其导热机理和对材料热学性能分析结论如下：

1）木质导热材料优化制备工艺。石墨填充量15%、石墨粒径2 500目、偶联剂种类为钛酸酯。在此条件下制备的木质导热材料其静曲强度为35 MPa，弹性模量为17 864 MPa，内结合强度为0.4 MPa，吸水厚度膨胀率为8.2%，均达到国标GB/T 11718—2009要求。

2）木质导热材料导热机理。导热填料的加入，增加了材料内部的热传导，明显提高了材料的热导系数，导热材料的导热系数为0.266 W/m·K，比普通复合材料的导热系数增大了5倍左右。相同厚度的木质材料在相同热流量条件下，导热材料表面温度显著提高，当材料下表面温度为50 ℃，材料厚度8 mm时，相同时间内，热量传递至普通地板上表面的温度为41.50 ℃，而热量传递至导热材料上表面的温度却为47.95 ℃。

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