導(dǎo)熱ZnO/EP復(fù)合材料的制備與性能研究

卜義夫，孔俊嘉，張延祥，王雯旭，趙一博

(沈陽科技學(xué)院 化學(xué)工程系，遼寧 沈陽 110167)

0 引言

環(huán)氧樹脂（EP）具有黏性強、熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強[1]等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軍事、汽車、電氣等各個領(lǐng)域，同時還可作為復(fù)合材料的基體，但是EP本身導(dǎo)熱性差、熱導(dǎo)率較低，這也限制了EP的應(yīng)用領(lǐng)域。石墨烯具有較高的熱導(dǎo)率，以石墨烯為填料可以提高EP的導(dǎo)熱性能，但是石墨烯的表面能極高，容易在EP中發(fā)生團(tuán)聚，分散性不好。環(huán)氧樹脂性能的優(yōu)化逐漸成為學(xué)者的研究熱點。張榮良[2]等以熱鍍鋅渣為原料制備EP/ZnO復(fù)合材料并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。宋健[3]通過制備改性氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料并對其力學(xué)性能和熱性能進(jìn)行了研究。張淑萍[4]通過制備功能化碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料并對其彎曲性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。劉軍凱[5]通過制備磺酸基改性氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料并對其涂膜性能和阻抗性能。Doreen ltenyo Machanje[6]等應(yīng)用反應(yīng)性端帽型羧基酰胺齊聚物改性環(huán)氧樹脂制備玻璃纖維增強復(fù)合材料并對其進(jìn)行了相關(guān)研究。本文以ZnO為填料通過溶膠-凝膠法制備氧化鋅/環(huán)氧樹脂（ZnO/EP）復(fù)合材料，通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）對其表征，研究ZnO粉體的加入對EP導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

醋酸鋅、檸檬酸三銨、無水乙醇、氨水、三乙烯四胺、鄰苯二甲酸二甲酯，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；環(huán)氧樹脂E-51，工業(yè)級，濟(jì)南旭創(chuàng)化工科技有限公司。

1.2 實驗儀器

X射線衍射儀，D2，德國Bruker公司；掃描電子顯微鏡，Teneo，美國FET公司；恒溫磁力攪拌，SHJ-A6，常州市億能實驗儀器廠；恒溫干燥箱，DHG-9140A，無錫騰川儀器設(shè)備有限公司；馬弗爐，KR，洛陽科熱爐業(yè)有限公司；拉伸強度測試儀，WNT-03，山東威申電子科技有限公司；抗彎強度試驗機(jī)，GW-40B，濟(jì)南中路昌試驗機(jī)制造有限公司；電子式擺錘強度沖擊儀，F(xiàn)ⅠT-01，濟(jì)南眾測機(jī)電設(shè)備有限公司；邵氏硬度計，LX-A，東莞市禧隆電工機(jī)械設(shè)備有限公司；分析天平，F(xiàn)A1004，北京京創(chuàng)泰寧偉業(yè)科技發(fā)展有限公司；熱導(dǎo)率儀，DRH-Ⅱ，三元（重慶）儀器有限公司。

1.3 ZnO粉體的制備

采用溶膠-凝膠法制備ZnO粉體。具體流程如下：將10 g醋酸鋅、2.8 g檸檬酸三銨置于燒杯中，向燒杯中加入25 mL去離子水，置于恒溫磁力攪拌水浴中，設(shè)置溫度75 ℃，向其中加入45 mL無水乙醇，一段時間后在燒杯中形成白色的Zn(OH)2沉淀，使用取樣器向其中緩慢滴加氨水，直至白色沉淀消失，形成溶膠；將其放入恒溫干燥箱中，100 ℃保溫2 h，形成凝膠，將凝膠放入馬弗爐中，600 ℃煅燒4 h，制得ZnO粉體。

1.4 ZnO/EP復(fù)合材料的制備

稱取15 g環(huán)氧樹脂E-51置于燒瓶中，向其中加入一定量的ZnO粉體，100 ℃水浴加熱，機(jī)械攪拌5 min，加入12 m LMHHPA和0.015 g DMP繼續(xù)攪拌使其混合均勻，最后將混合好的液體倒入模具中，將模具放入恒溫干燥箱中，140 ℃保溫3 h，制得ZnO/EP復(fù)合材料。

1.5 ZnO/EP復(fù)合材料的表征

（1）采用D2型X射線衍射儀對ZnO/EP復(fù)合材料進(jìn)行表征，分析其晶體結(jié)構(gòu)。儀器參數(shù)設(shè)置為：KCuα靶，工作電流40 mA，電壓40 kV，掃描范圍

10～80°。

（2）采用Teneo型掃描電子顯微鏡對ZnO/EP復(fù)合材料進(jìn)行表征，對其表面形貌進(jìn)行分析。

1.6 ZnO/EP復(fù)合材料的性能測試

拉伸性能測定參照GB/T 528—92進(jìn)行測試；彎曲強度測定參照GB/T 9341—2008進(jìn)行測試；沖擊強度測定參照GB/T 1043—2008進(jìn)行測試；邵氏硬度測定參照GB/T 531—2008進(jìn)行測試；采用熱導(dǎo)率儀測定ZnO/EP復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析（XRD）

由圖1可以看出，EP在2θ=18.5°處出現(xiàn)了特征衍射峰。加入ZnO粉體在2θ=32.1°、33.5°、36.7°等處出現(xiàn)了新的特征衍射峰，這與ⅠCSD晶體數(shù)據(jù)庫中ZnO的晶型相對應(yīng)，這說明成功制得ZnO/EP復(fù)合材料。ZnO/EP復(fù)合材料同時具有EP和ZnO的特征衍射峰，這說明EP和ZnO的結(jié)晶狀態(tài)并未發(fā)生改變。

2.2 形貌分析（SEM）

由圖2(a）可以看出，EP表面光滑無氣泡；由圖2（b）可以看出，ZnO粉體加入后EP表面變得粗糙，且ZnO粉體均勻的分布在EP基體中，這說明ZnO粉體與EP基體有著較好的結(jié)合力。

2.3 拉伸性能測試

由圖3可知，EP的拉伸強度和斷裂伸長率分別為42.7 MPa和8.28%，隨著ZnO粉體填充量的增加ZnO/EP復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)下降的趨勢，ZnO粉體填充量超過20%之后下降尤為明顯。

2.4 彎曲強度測試

由圖4可知，EP的彎曲強度為139.5 MPa，隨著ZnO粉體填充量的增加ZnO/EP復(fù)合材料的彎曲強度逐漸降低，這說明ZnO粉體與EP基體之間的黏滯力較弱，受到彎曲可能發(fā)生斷裂，但在ZnO粉體添加量為5%～40%的區(qū)間范圍內(nèi)其彎曲強度是可以滿足實際應(yīng)用的。

2.5 沖擊強度測試

由圖5可知，EP的沖擊強度為16.1 kJ/m2，加入ZnO粉體后EP的沖擊強度出現(xiàn)了明顯的下降，最終穩(wěn)定在8～10 kJ/m2區(qū)間范圍內(nèi)，這是由于ZnO的加入可以提高EP基體中的應(yīng)力集中點的數(shù)量，隨著ZnO填充量的不斷增加，ZnO/EP復(fù)合材料的沖擊強度逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于EP基體中應(yīng)力集中點達(dá)到了飽和，且ZnO/EP復(fù)合材料仍具有較好的韌性。

2.6 邵氏硬度測試

由圖6可知，EP的邵氏硬度為94.3 HD，隨著ZnO粉體的加入ZnO/EP復(fù)合材料的邵氏硬度變化并不大，這說明ZnO粉體的加入并未對EP本身邵氏硬度產(chǎn)生較大影響。

2.7 導(dǎo)熱性能測試

由圖7可知，EP的熱導(dǎo)率為0.18(W·m-1·K-1)，隨著ZnO粉體填充量的增加ZnO/EP復(fù)合材料的熱導(dǎo)率逐漸增大，ZnO粉體填充量為40%時，ZnO/EP復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到了0.67(W·m-1·K-1)，較EP提升了272.2%。這是由于隨著ZnO粉體的加入其與EP基體形成了單一的導(dǎo)熱通道，隨著ZnO粉體加入量的繼續(xù)增加，單一的導(dǎo)熱通道交聯(lián)形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，ZnO粉體的加入使得EP的熱導(dǎo)率得到較大提升。

綜上所述，隨著ZnO填充量的增加ZnO/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能得到較大提升，但ZnO/EP復(fù)合材料的力學(xué)性能稍有下降，最終確定ZnO粉體的最佳填充量為20%。

3 結(jié)論

通過溶膠-凝膠法制備ZnO/EP復(fù)合材料。隨著ZnO粉體填充量的增加，EP的熱導(dǎo)率由0.18(W·m-1·K-1)升高到ZnO填充量為40%時的0.67(W·m-1·K-1)，與EP相比提高了272.2%，但力學(xué)性能有所下降，ZnO的加入使得在EP形成了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使得其導(dǎo)熱性能大大提高。ZnO的最佳填充量為20%。