地暖管用石墨烯改性导热阻氧耐热聚乙烯复合材料制备及性能研究

朱亚坤 张小诗

廊坊新奥石墨烯技术有限公司 河北廊坊 065000

1 概述

在冬季采暖的形式上，地面辐射采暖是一种兼具经济性和舒适性的采暖方式，因其地表温度均匀，温度由下而上逐渐递减，体感舒适，符合人体要求的热环境。目前地暖管以耐热聚乙烯（PE-RT）管为主，导热系数仅为0．2-0．3 W/m·K，导致供暖效率低。因此，开发新型导热复合材料已经成为高性能地暖管材发展的重要方向[1]。不仅如此，普通地暖管在系统运行时，系统中的含氧量比较高，氧分子易进入到管道系统，导致管材内热水含氧量较高，滋生细菌和微生物，长期使用会堵塞管路，大大影响管材的使用性能。阻氧型管材是未来塑料管材的方向，尤其在采暖系统中应用，阻氧管材的优越性体现的更为明显[2]。石墨烯以其良好的热传导性能及二维片层结构被人们所熟知，因此在导热及阻氧等领域展现出良好的应用前景，但是石墨烯在应用过程中依然存在较大的困难，石墨烯层与层之间的相互作用力较大、团聚较为严重，难以在树脂基体中获得有效的剥离和均匀的分散。通过优化填料结构的多尺度设计，改善生产工艺，获得良好的石墨烯混合分散的效果，使石墨烯等填料在复合材料基体中形成完善网络结构，显著提高复合材料的导热及阻氧性能，不仅解决石墨烯复合材料产业化面临的技术挑战，也为石墨烯材料在地暖管或其它管材中的大规模应用奠定了良好基础[3]。

2 改性导热阻氧复合材料的制备及分析

2.1 制备工艺及流程

（1）预混：按照表1 对4 种样品进行配制。设定高混机混合温度80℃，混合时间2min-5min，混合速率200rpm-1000rpm。在进行预混时加料次序应该得当，首先加入聚合物、液体状态的白油及偶联剂进行高混，使树脂颗粒表面均匀包裹一层有一定粘度的油状物质，同时白油可以起到润滑的作用，偶联剂可以助于碳纳米材料表面活性官能团与高分子链节之间的化学键合；然后加入碳纳米材料粉体，再次高混，确保碳纳米材料粉体能够充分均匀分布及包裹在树脂颗粒表面，利于后续挤出过程中均匀喂料的实现，最后再加入各种助剂粉体进行高混，使树脂颗粒、石墨烯粉体、各种助剂能够得到充分的混合。4 种样品所使用的各种助剂均为同一厂家牌号；（2）挤出造粒：选择适当的温度和转速等工艺参数有利于碳纳米材料粉体在树脂基体中实现良好的分散。挤出机头温度为210℃，一区到六区温度为180℃、215℃、215℃、215℃、215℃、215℃，喂料速度：200-1000rmp，切粒机20-60r/min，主机转速100-200rmp，最后挤出造粒得到改性导热阻氧耐热聚乙烯复合材料；（3）管材挤出：切粒后的复合材料经鼓风烘干机以80℃烘干六小时确保复合材料保持干燥，将烘干的复合材料投入管材挤出设备，挤出地暖管材规格S5 dn20mm×en2．0mm，挤管温度180-190℃，挤管速度15-20m/min，得到改性地暖管。

2.2 性能测试

（1）导热系数：将管材破碎后热压或注塑成型10cm× 10cm×6mm 的试样，按照GB/T 10297-2015 中热线法进行测定；（2）透氧率：按照ISO 17455 热塑性塑料管材的氧渗透性测试方法进行测定；（3）爆破压力：按照GB/T 15560-1995 流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法进行测定，测定结果如表2 所示。

通过测试结果看出，样品1 制备得到的改性地暖管拥有最高的导热系数、爆破压力以及最低的透氧率。在四种碳纳米材料粉体中，样品1 使用的石墨烯具有比表面积最大、径厚比最高、灰分含量最低的性能。比表面积的增加有利于石墨烯表面与树脂基体材料之间的化学键合，从而增强石墨烯在树脂基体中的分散效果，形成一个稳定的三维空间导热网络结构，提高导热效果。径厚比的增大，可提高石墨烯在空间形成致密的“纳米阻隔墙”而构建良好的结构性阻氧网络，对氧气分子具有阻隔作用，延长了氧气分子的扩散路径，从而增强了混合基质的氧气阻隔性能。最后，石墨烯自身的高强度及低灰分进一步提高了管材的强度，减小了杂质对于管材爆破压力强度的影响。因此石墨烯制备得到的改性地暖管具有更优异的性能，我们最终选取石墨烯作为碳纳米填料得到石墨烯改性导热阻氧耐热聚乙烯复合材料。

3 结语

本实验成功制备出地暖管用石墨烯改性导热阻氧耐热聚乙烯复合材料及地暖管，较传统地暖管材料有着巨大优势。又因为人们生活水平不断提高，地暖市场不断地发展，所以本材料具有很强的竞争力与发展前景。

表1 改性导热阻氧耐热聚乙烯复合材料制备配方

表2 改性导热阻氧耐热聚乙烯地暖管性能测试