高导热聚乙烯管道的应用研究

摘要：阐述高导热聚乙烯管道的特点、材料制备、生产工艺以及高导热材料的应用研究。高导热聚乙烯管道系统不仅具有耐热聚乙烯（PE-RT）管道的使用优点，又具导热系数高、导热效率高和散热效率高的特点，在低温地面辐射采暖系统中具有明显的优势。

关键词：高导热；耐热聚乙烯；导热粒子；采暖系统

1、引言

在冬季采暖系统中，常用的就是低温地面辐射采暖系统，该系统是以温度不高于60℃的热水为热媒，在管道内循环流动加热地面蓄热层，通过地面以辐射为主的传热方式向室内供热的采暖方式。这种采暖系统具有节能环保，发热均匀，舒适度高，脚暖头冷符合人体工程学。传统的PE-RT因其好的耐热性、耐压性及使用寿命长而被广泛应用于低温地面辐射采暖系统；但是传统的PE-RT管材的导热系数在0.2～0.4W/mK，导热性能较差，散热效率较低。一般地，为了提高聚乙烯材料的导热性能通常采用添加导热填料的方法，即在导热粒子与聚合物间相互接触，在聚合物基体内形成由导热链而构成的通路来提高其导热性能。当填料用量较少时，填料粒子之间是彼此孤立的，没有接触和相互作用，一般颗粒状的粒子在聚合物基体中大多形成“海-岛结构”，颗粒被基体包覆，很难形成导热网络，“基体-填料”界面增多，界面热阻增大，热导率提升不大。随着填料含量的增加，粒子之間开始相互接触，当含量达到某一临界值时，粒子在基体中形成导热网链，导热性能大幅提升，但是导热填料的增加会严重影响聚合物的物理力学性能。因此为了提高聚乙烯的导热性能，采用合理的方法制备高导热性能的聚乙烯管十分重要。

2、导热材料介绍

耐热聚乙烯（PE-RT）管道广泛应用于地面辐射采暖系统中，但是普通的PE-RT导热性能较差，但是，聚合物本身的热导率很低，通过改变其自身分子和链节结构获得特殊物理结构或完整晶型得到本征型导热高分子材料的方法工艺复杂，操作难度大，成本高，不适合大规模生产和应用。而将具有高热导率的填料对聚合物进行填充，制备填充型聚合物基导热复合材料，加工工艺简单，易于实现且成本较低，是目前国内外导热高分子材料研究的主要方向[1]。

聚烯烃导热填充材料主要分为：金属材料、碳材料、陶瓷填料等。金属材料的填充会使得聚烯烃具有较高的导热系数，但是由于金属材料和聚烯烃材料的相容性较差，会影响聚乙烯管道系统的综合使用性能；碳系材料的密度低、热导率高并且和聚烯烃树脂的相容性较好，在聚烯烃高导热材料中广泛应用，碳系材料主要分为石墨、碳纳米管、石墨烯等；石墨因其良好的导热性能，低廉的价格和在聚合物基体中较好的分散性，而被认为是最好的导热填料之一[2]；陶瓷材料具有较好的导热绝缘性能，在对导热绝缘领域得到很好的应用，陶瓷填料主要有氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硼等，具有导热效率高、膨胀性能低、价格便宜等特点，在陶瓷导热材料中应用较多。

本文主要研究了石墨和氧化铝对耐热聚乙烯（PE-RT）导热性能的影响，以及导热粒子粒径的大小、添加比例和导热粒子组合对导热耐热聚乙烯材料性能的影响趋势。

3、实验部分

3.1实验原材料

耐热聚乙烯（PE-RT）：XP9000韩国大林，MFR 0.61g/10min（190℃，2.16kg），密度0.935g/cm3；石墨微晶1：粒径约100μm；石墨微晶2：粒径10μm左右；氧化铝（Al2O3）：粒径约2μm；

3.2实验设备

实验设备与仪器见表1。

3.3高导热试样的制备

3.3.1高导热材料制备

导热粒子在使用前进行烘干处理，在110℃电热鼓风干燥箱中干燥2-4h后，取出后放入干燥器中室温冷却；将干燥后的导热粒子、耐热聚乙烯树脂和加工助剂按一定比例在高速混料机中进行混合，混合时间为10-15min；将混合好的高导热母料在同向平双螺杆挤出机中进行挤出造粒。

3.3.2高导热试样的制备

3.3.2.1高导热注塑试样的制备

将制备好的高导热造粒料加入到注塑机进行注塑加工，其中注塑机工艺为：温度1区200℃，温度2区195℃，温度三区195℃，温度4区195℃，注射压力40MPa，注塑试样为80mm×55mm的样片；

3.3.2.2高导热挤出试样的制备

将制备好的高导热造粒料加入到单螺杆挤出机制作高导热耐热聚乙烯（PE-RT）样管，其中挤出工艺温度为：1区180℃，2区185℃，3区190℃，4区195℃，冷却水温度20℃，牵引速度10m/min；

3.3.3测试方法及标准

导热系数测试：将制备的试样按照GB/T 10279-2015进行测定；

静液压试验按照GB/T 6111进行测定；

力学性能拉伸试验按照GB/T 8804.3-2003进行测试，温度23℃，拉伸速率50mm/min；

熔体质量流动速率按照GB/T3682.1进行测定，温度190℃，砝码质量2.16kg；

4、实验结果与讨论

4.1 实验结果

4.1.1导热粒子、添加比例、拉伸强度、断裂伸长率和导热系数见表2。

4.2实验结论

表2给出了不同粒径和不同导热粒子组合在耐热聚乙烯材料添加后的性能的变化趋势。石墨微晶1添加比例从6%提高到10%后，复合材料的导热系数从0.49 W/mK提高至0.58 W/mK；石墨微晶2添加比例从6%提高到8%后，复合材料的导热系数从0.44 W/mK提高至0.47 W/mK；从上述变化趋势可以得出随着导热粒子的添加比例的增大有利于复合材料导热系数的提高，粒径较大的石墨微晶1对复合材料导热性提升要优于粒径较小的石墨微晶2，导致上述现象的原因可能是随着导热粒子的直径减小，导热粒子在基础树脂中分散越来越困难，导热粒子被基础树脂包覆而没有形成导热通路，从而导致复合材料的没有得到较大的提升。

从表2可以看出，添加导热粒子使得耐热聚乙烯的拉伸屈服强度增加，但是导热粒子粒径的大小对材料的断裂伸长率影响较大；添加粒径较大的石墨微晶1时，断裂伸长率明显下降；这可能是因为粒径较大的石墨微晶和树脂基体的相容性较差，并且在界面形成拉伸应力集中点，从而导致断裂伸长率明显降低；此外氧化铝对复合材料的断裂伸长率影响较小，可以通过氧化铝和石墨微晶的组合添加兼顾材料的导热性能和力学性能。

从表3中可以看出导热粒子在树脂基体中的分散情况，随着导热粒子粒径的减小分散难度逐步增大，分散不好的时候会产生团聚现象，尺寸较小的导热粒子被基础树脂包覆而没有形成导热通路，导致复合材料的导热性能提升不大。

5、结论

（1）高导热复合材料的导热系数随着导热粒子的添加比例增加而逐渐提高；

（2）复合材料中添加导热粒子会增大材料的拉伸屈服强度；

（3）随着导热粒子添加比例的增大和导热粒子粒经的增大，复合材料的断裂伸长率越差；

（4）随着导热粒子添加比例的增大，分散难度逐步增大，容易出现团聚现象，从而导致复合材料导热性能提升不明显。

参考文献

[1]马传国，容敏智，章明秋.导热高分子复合材料的研究与应用[J].材料工程，2002（7）：40-45.

[2]吴贺君，卢灿辉，胡彪，李庆业，刘耀文，刘韫滔. 填充型聚乙烯基导热复合材料研究进展[J]. 塑料工业，2016（2）：13

作者简介：姬生利，男，1978年生，工程师，从事高分子材料加工与生产安全技术研究。

（作者单位：沈阳邦胜管业有限公司）