十六醇/高密度聚乙烯高导热定型相变材料的制备

孙文娟，董清丽，许雯婷

(安徽职业技术学院，合肥 230011)

按组成成分分类，将相变材料分为有机相变材料、无机相变材料和混合相变材料，也就是将有机材料和无材料共混的一种相变材料。有机类相变材料相比无机相变材料具有稳定的性能，毒性小，腐蚀性低，固体状态成型性较好，相分离和过冷现象也很少出现等优点，也具有单位体积的储能能力较小，密度也较小导致制备封装不方便，价格相对较高，导热系数小等缺点，但可以通过添加高密度聚乙烯等高分子作为支撑材料，再加入纳米铝粉、纳米氧化铝等提高导热性来弥补。因此，本文研究利用有机材料——十六醇作为相变材料，以高密度聚乙烯为支撑材料，以膨胀石墨、纳米氧化铝为导热添加材料制备高导热定型相变材料，并研究导热材料的添加对相变材料的影响规律。

1 试验部分

1.1 药品与仪器

药品：十六醇；高密度聚乙烯；可膨胀石墨；纳米氧化铝。

仪器：半微量电子天平；数显恒温水浴锅；差式扫描量热仪；电热恒温干燥箱。

1.2 定型相变材料制备

按不同的比例分别取适量的脂肪醇置于各个烧杯中，将烧杯置于水浴锅中进行恒温水浴加热至完全融化后，用玻璃棒搅拌均匀。取对应量的HDPE加入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀后放入烘箱加热1h后拿出，将样品静置冷却后，封装。

1.3 定型相变材料泄露试验

将制备不同比例的定型相变材料，分别放置在滤纸上，设置烘箱温度在70℃加热2小时，拿出，观察是否有十六醇泄露，从而确定十六醇与高密度聚乙烯最佳的混合比例。

1.4 膨胀石墨的制备

将装有可膨胀石墨的坩埚放入800℃的马弗炉中，膨胀40s后，迅速拿出膨胀石墨。

1.5 高导热定型相变材料的制备

按不同的比例分别取适量的脂肪醇置于各个烧杯中，将烧杯置于水浴锅中进行恒温水浴加热至完全融化后，用玻璃棒搅拌均匀。取对应量的HDPE、导热材料加入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀后放入烘箱加热1h后拿出，将样品静置冷却后，封装。

1.6 复合相变材料的表征

通过差示扫描量热仪(DSC)测定定型材料及高导热定型相变材料的相变温度及相变潜热的变化规律。

通过导热系数测试仪(DRE-2C)测定定型材料及高导热定型相变材料的导热系数的变化规律。

2 结果与讨论

2.1 定型相变材料分析

本次试验设定复合定型相变材料中高密度聚乙烯占比分别为10%、20%、30%、40%、50%，60%，根据1.3泄露试验如图1所示，发现当高密度聚乙烯比例在20%时，在70℃烘箱中加热2小时后，仍有部分十六醇泄露，当高密度聚乙烯比例为30%时，滤纸上没有十六醇泄露，说明在高密度聚乙烯作为支撑材料比例至少要达到30%，当十六醇发生相变时才保持材料的形状，不发生泄漏。因为在定型相变材料中相变物质是十六醇，随着高密度聚乙烯含量的增加，十六醇含量越来越少，相变潜热也会减少，鉴于此选择高密度聚乙烯与十六醇比例为3：7制备的定型相变材料用作后续试验。通过差示扫描量热仪(DSC)及导热系数测试仪(DRE-2C)测定此时该定型相变材料的相变温度为53.7℃，相变潜热为191.7J/g，导热系数为0.3446W/mk，可见该材料相变潜热较大，但导热系数很小，在实际应用中会受到限制。图1所示：左：聚乙烯含量30%；右：聚乙烯含量20%。

图1 定型相变材料泄露试验

2.2 膨胀石墨对复合定型相变材料导热系数影响分析

加入高导热材料使得十六醇中可以自由移动的帮助传热的电子得以增加，因此添加导热材料可以使材料的导热性能得到提高。本文50目可膨胀石墨由青岛腾盛达碳素机械有限公司提供，然后在800℃的马弗炉中，膨胀40s，膨胀倍率为192.52ml/g。

把不同量的膨胀石墨加入合成的定型相变材料中，对导热系数的影响通过多项式拟合结果(其中，x表示膨胀石墨的含量，λ表示导热系数)，见图2。从图可见，随着膨胀石墨含量的增加，导热系数逐渐增大，从拟合的多项式分析，随着膨胀石墨增加，导热系数先增加后减小，有最大值。当膨胀石墨含量为4%时导热系数为0.7669W/mk，是原来的2.23倍。对膨胀石墨含量为4%的膨胀石墨定性材料DSC分析如图3，此时的相变温度为51.3℃，相变潜热为134.5J/g，比原来都有减少，尤其是相变潜热减少了29%左右，因此膨胀石墨的增加可以提高导热系数，但势必会引起相变潜热降低，因此在实际应用中根据实际情况而定。

图2 膨胀石墨含量与电导率的关系

图3 相变温度及相变潜热的变化规律

2.3 纳米氧化铝对复合定型相变材料导热系数影响分析

图4 纳米氧化铝含量与电导率的关系

把不同量的纳米氧化铝加入合成的定型相变材料中，对导热系数的影响通过多项式拟合结果(其中，x表示纳米氧化铝的含量，λ表示导热系数)，见图4。从图可见，随着纳米氧化铝含量的增加，相变材料的导热系数呈现先上升后下降的趋势，当纳米氧化铝含量5%时，导热系数增加为0.4184w/mk，仅比原来增加0.0738w/mk，对氧化铝含量5%的纳米氧化铝定型材料DSC分析如图5，从图中可以看出相变潜热却下降到108.7J/g。究其原因，一方面可能是纳米氧化铝与复合相变材料相互作用，造成导热系数失律；另一方面可能是试验中高密度聚乙烯熔融状态下呈胶质状，不易于搅拌，造成材料混合不太均匀。

图5 相变温度及相变潜热的变化规律

3 结论

⑴高密度聚乙烯作为支撑材料与十六醇复合的最佳比例为3∶7，此时，相变材料的相变温度为53.7℃，相变潜热为191.7J/g，导热系数仅为0.3446W/mk。

⑵膨胀石墨的增加可以明显提高十六醇/高密度聚乙烯复合定型相变材料的导热系数，当膨胀石墨加入量为4%时，导热系数增加为原来的2倍，通过二项式拟合可知，导热系数并不是随着膨胀石墨的增加而无限增大，而是会出现最大值。但随着膨胀石墨含量的增加相变潜热会降低，因此应根据实际情况进行选择。

⑶纳米氧化铝的添加也可增加十六醇/高密度聚乙烯复合定型相变材料的导热系数，但是与膨胀石墨相比增加量较小。如当纳米氧化铝增加量为5%时，复合定型相变材料的导热系数才达到0.4184W/mk，膨胀石墨加入量为5%时，导热系数达到0.8059W/mk，因此，膨胀石墨更适合做十六醇/高密度聚乙烯复合定型相变材料的导热添加材料。