導熱塑料用氧化鋁的表面改性

張浩 周正發(fā) 徐衛(wèi)兵

(合肥工業(yè)大學高分子材料與工程系，合肥 230009)

導熱塑料用氧化鋁的表面改性

張浩 周正發(fā)*徐衛(wèi)兵

(合肥工業(yè)大學高分子材料與工程系，合肥 230009)

采用硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三乙氧基硅烷對氧化鋁進行表面改性，通過改變偶聯(lián)劑用量、改性溫度、改性時間并測試表面改性后氧化鋁的活化指數(shù)，得出氧化鋁表面改性的最佳條件：A-151用量為2wt%，改性溫度為85℃，改性時間為120min。SEM測試表明，氧化鋁經(jīng)過A-151表面改性后，在塑料中分散均勻，團聚現(xiàn)象消失。粒度分布測試分析表明，Al2O3經(jīng)表面改性后，其平均粒徑減小。

氧化鋁，硅烷偶聯(lián)劑，表面改性

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的導熱材料—金屬，由于其抗腐蝕性能差且導電，在一些特定領(lǐng)域已經(jīng)受到了限制。導熱塑料由于良好的絕緣和導熱特性，且塑料部件可以注塑，設計自由度較大，很好的滿足了這一要求。Al2O3電阻率高、導熱性好，將其作為填料添加到聚合物中，在改善聚合物介電性能的同時，還可提高材料的導熱性，因而在絕緣材料領(lǐng)域有著廣泛的應用。Al2O3需經(jīng)過偶聯(lián)劑進行表面改性，以提高樹脂基體和填料的相容性，從而提高基體材料的導熱性能和不顯著降低其力學性能。

本文研究了A-151(乙烯基三乙氧基硅烷)的用量、改性溫度和改性時間對Al2O3表面改性的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

氧化鋁，AR-30L，佛山維科德化工；乙烯基三乙氧基硅烷，南京裕德恒精細化工有限公司；無水乙醇，AR，國藥集團化學制劑有限公司；PP，F(xiàn)401，中國石化揚子石油化工有限公司。

1.2 儀器及設備

真空干燥箱，6020，上海博訊實業(yè)有限公司；傅里葉紅外光譜儀，Nicolet 6700，美國Thermo Nicol；熱失重分析儀，TG209F3，德國耐馳儀器制造有限公司；掃描電子顯微鏡，JSM-6490LV，日本電子；激光粒度儀，Mastersizer 2000，馬爾文儀器有限公司。

1.3 表面改性方法

取適量A-151滴入100g乙醇中，滴加醋酸至pH值為3～4，于三口燒瓶中室溫攪拌水解30min，稱取100g Al2O3，加入A-151水解液中，80℃超聲攪拌2h后過濾，用甲苯洗滌，于110℃干燥4h。

1.4 改性效果的表征

1.41 偶聯(lián)劑包覆率

采用德國耐馳熱重分析儀TG209F3測試。根據(jù)質(zhì)量減少量計算偶聯(lián)劑在氧化鋁表面的接枝率。

1.42 活化指數(shù)

采用活化指數(shù)來表征氧化鋁的改性效果。活化指數(shù)能有效地反映粉體顆粒表面的親油性和顆粒表面被偶聯(lián)劑分子包覆的程度。測定方法：準確稱取1g改性粉體，置于盛有50mL蒸餾水的三角瓶中，并將瓶放入超聲波震蕩儀中震蕩1h，取出后靜置1h。取上層漂浮的氧化鋁烘干稱重。按下列公式計算其活化指數(shù)[1]

活化指數(shù) = (漂浮的粉體質(zhì)量/粉體的總質(zhì)量) ×100%

活化指數(shù)越高表明粉體顆粒表面的親水基團越少、親油基團越多，顆粒被有機化合物分子包覆的程度越好，改性效果也就越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 A-151用量的影響

由圖1可知，隨著A-151用量的增加，粉體的活化指數(shù)逐漸增大，當偶聯(lián)劑用量達到粉體質(zhì)量的2%時，活化指數(shù)達到100%并穩(wěn)定。用量繼續(xù)增加，則會形成Al2O3表面偶聯(lián)劑的多分子層，多余的偶聯(lián)劑在Al2O3粒子之間起到增塑的作用，受力時，Al2O3粒子與偶聯(lián)劑將會發(fā)生滑移性脫離，從而使拉伸強度降低[2]；同時A-151增加了基體樹脂與Al2O3之間的熱阻，使傳熱困難，導熱系數(shù)下降，而且A-151用量越多，熱阻越大，導熱系數(shù)下降也越大[3]。因此A-151的最佳用量2%。

2.2 改性溫度的影響

由圖2可知，隨著改性溫度的升高，氧化鋁的活化指數(shù)逐漸增大，在85℃時達到100%；當溫度繼續(xù)升高，氧化鋁的活化指數(shù)反而下降，這是由于溫度越高，A-151水解物自縮聚越嚴重，從而影響了氧化鋁的表面改性效果[4]。

2.3 改性時間的影響

由圖3可知，隨著改性時間的增加，氧化鋁的活化指數(shù)逐漸增大。當改性時間達到120min時，活化指數(shù)達到100%并穩(wěn)定。因此，最佳改性時間為120min。

2.4 表面改性后Al2O3的SEM分析

將A-151表面改性后的Al2O3填充到聚丙烯中，質(zhì)量分數(shù)為55%，擠出機造粒并注塑成型，并做斷面的電鏡掃描。如圖4為其斷面SEM圖，可見，表面改性后的Al2O3在聚丙烯基體中分散均勻，與基體的界面模糊，說明界面結(jié)合比較牢固。

2.5 表面改性后Al2O3的粒度分布

如圖5所示，上圖為表面改性前Al2O3的粒度分布圖，其平均粒徑為4.055μm；下圖為經(jīng)A-151表面改性后Al2O3的粒度分布圖，其平均粒徑為3.948μm。Al2O3經(jīng)表面改性后，其平均粒徑減小。這是由于，改性前Al2O3粒子由于表面能較高，發(fā)生部分團聚，粒度分布儀測得數(shù)據(jù)偏大；經(jīng)過偶聯(lián)劑表面改性后，團聚減少，Al2O3粒子分散均勻，測得數(shù)據(jù)更接近粒子的真實尺寸值。

3 結(jié)論

活化指數(shù)的測定結(jié)果表明，氧化鋁表面改性的最佳條件為：A-151用量為2wt%，改性溫度為85℃，改性時間為120min；掃描電鏡和粒度分布圖表明，氧化鋁經(jīng)A-151表面改性后，在聚丙烯樹脂中分散均勻，團聚現(xiàn)象減少。

[1]周麗玲，莊濤，王侃，付政. 納米氧化鋅的改性及其對 NR膠料力學性能的影響[J]. 青島科技大學學報(自然科學版)，2007，28(4).

[2]牟秋紅，馮圣玉，李明強. 表面改性劑對Al2O3填充硅橡膠導熱性能的影響[J]. 有機硅材料，2009，23(3)：140-143.

[3]唐明明，容敏智，馬傳國等，Al2O3的表面改性及粒子尺寸對SBR導熱橡膠性能的影響[J]. 合成橡膠工業(yè)，2003，26(2)：104-107.

[4]馮軍，楊麗霞，張文廣，顧濤，林偉偉，乙烯基三乙氧基硅烷(VS)水解關(guān)鍵工藝[J]. 表面技術(shù)，2009，38(6).