地暖管用石墨烯改性導熱阻氧耐熱聚乙烯復合材料制備及性能研究

朱亞坤 張小詩

廊坊新奧石墨烯技術有限公司 河北廊坊 065000

1 概述

在冬季采暖的形式上，地面輻射采暖是一種兼具經濟性和舒適性的采暖方式，因其地表溫度均勻，溫度由下而上逐漸遞減，體感舒適，符合人體要求的熱環境。目前地暖管以耐熱聚乙烯（PE-RT）管為主，導熱系數僅為0．2-0．3 W/m·K，導致供暖效率低。因此，開發新型導熱復合材料已經成為高性能地暖管材發展的重要方向[1]。不僅如此，普通地暖管在系統運行時，系統中的含氧量比較高，氧分子易進入到管道系統，導致管材內熱水含氧量較高，滋生細菌和微生物，長期使用會堵塞管路，大大影響管材的使用性能。阻氧型管材是未來塑料管材的方向，尤其在采暖系統中應用，阻氧管材的優越性體現的更為明顯[2]。石墨烯以其良好的熱傳導性能及二維片層結構被人們所熟知，因此在導熱及阻氧等領域展現出良好的應用前景，但是石墨烯在應用過程中依然存在較大的困難，石墨烯層與層之間的相互作用力較大、團聚較為嚴重，難以在樹脂基體中獲得有效的剝離和均勻的分散。通過優化填料結構的多尺度設計，改善生產工藝，獲得良好的石墨烯混合分散的效果，使石墨烯等填料在復合材料基體中形成完善網絡結構，顯著提高復合材料的導熱及阻氧性能，不僅解決石墨烯復合材料產業化面臨的技術挑戰，也為石墨烯材料在地暖管或其它管材中的大規模應用奠定了良好基礎[3]。

2 改性導熱阻氧復合材料的制備及分析

2.1 制備工藝及流程

（1）預混：按照表1 對4 種樣品進行配制。設定高混機混合溫度80℃，混合時間2min-5min，混合速率200rpm-1000rpm。在進行預混時加料次序應該得當，首先加入聚合物、液體狀態的白油及偶聯劑進行高混，使樹脂顆粒表面均勻包裹一層有一定粘度的油狀物質，同時白油可以起到潤滑的作用，偶聯劑可以助于碳納米材料表面活性官能團與高分子鏈節之間的化學鍵合；然后加入碳納米材料粉體，再次高混，確保碳納米材料粉體能夠充分均勻分布及包裹在樹脂顆粒表面，利于后續擠出過程中均勻喂料的實現，最后再加入各種助劑粉體進行高混，使樹脂顆粒、石墨烯粉體、各種助劑能夠得到充分的混合。4 種樣品所使用的各種助劑均為同一廠家牌號；（2）擠出造粒：選擇適當的溫度和轉速等工藝參數有利于碳納米材料粉體在樹脂基體中實現良好的分散。擠出機頭溫度為210℃，一區到六區溫度為180℃、215℃、215℃、215℃、215℃、215℃，喂料速度：200-1000rmp，切粒機20-60r/min，主機轉速100-200rmp，最后擠出造粒得到改性導熱阻氧耐熱聚乙烯復合材料；（3）管材擠出：切粒后的復合材料經鼓風烘干機以80℃烘干六小時確保復合材料保持干燥，將烘干的復合材料投入管材擠出設備，擠出地暖管材規格S5 dn20mm×en2．0mm，擠管溫度180-190℃，擠管速度15-20m/min，得到改性地暖管。

2.2 性能測試

（1）導熱系數：將管材破碎后熱壓或注塑成型10cm× 10cm×6mm 的試樣，按照GB/T 10297-2015 中熱線法進行測定；（2）透氧率：按照ISO 17455 熱塑性塑料管材的氧滲透性測試方法進行測定；（3）爆破壓力：按照GB/T 15560-1995 流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法進行測定，測定結果如表2 所示。

通過測試結果看出，樣品1 制備得到的改性地暖管擁有最高的導熱系數、爆破壓力以及最低的透氧率。在四種碳納米材料粉體中，樣品1 使用的石墨烯具有比表面積最大、徑厚比最高、灰分含量最低的性能。比表面積的增加有利于石墨烯表面與樹脂基體材料之間的化學鍵合，從而增強石墨烯在樹脂基體中的分散效果，形成一個穩定的三維空間導熱網絡結構，提高導熱效果。徑厚比的增大，可提高石墨烯在空間形成致密的“納米阻隔墻”而構建良好的結構性阻氧網絡，對氧氣分子具有阻隔作用，延長了氧氣分子的擴散路徑，從而增強了混合基質的氧氣阻隔性能。最后，石墨烯自身的高強度及低灰分進一步提高了管材的強度，減小了雜質對于管材爆破壓力強度的影響。因此石墨烯制備得到的改性地暖管具有更優異的性能，我們最終選取石墨烯作為碳納米填料得到石墨烯改性導熱阻氧耐熱聚乙烯復合材料。

3 結語

本實驗成功制備出地暖管用石墨烯改性導熱阻氧耐熱聚乙烯復合材料及地暖管，較傳統地暖管材料有著巨大優勢。又因為人們生活水平不斷提高，地暖市場不斷地發展，所以本材料具有很強的競爭力與發展前景。

表1 改性導熱阻氧耐熱聚乙烯復合材料制備配方

表2 改性導熱阻氧耐熱聚乙烯地暖管性能測試