碳纳米管分散强化PVDF复合薄膜导热性能探究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.004

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (7): 25-31.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.004

碳纳米管分散强化PVDF复合薄膜导热性能探究

吴朝廷¹^,², 陈华艳¹^,²(), 张文欣¹^,³, 吕晓龙¹^,²

^1.省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387
^2.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387
^3.天津工业大学环境科学与工程学院，天津 300387

收稿日期:2021-02-01 出版日期:2021-07-26 发布日期:2021-07-21
基金资助:
天津市自然科学基金项目(17JCYBJC17400)

Study on Thermal Conductivity of Carbon Nanotube Dispersion Strengthened PVDF Composite Film

WU Chaoting¹^,², CHEN Huayan¹^,²(), ZHANG Wenxin¹^,³, LYU Xiaolong¹^,²

^1.State key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes，Tianjin 300387，China
^2.School of Materials Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin 300387，China
^3.School of Environmental Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin 300387，China

Received:2021-02-01 Online:2021-07-26 Published:2021-07-21
Contact: CHEN Huayan E-mail:chenhuayan@tjpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用多巴胺（DA）和3?氨基丙基?三甲氧基硅烷（APTMS）对碳纳米管（CNTs）进行DA辅助共修饰，并用溶剂浇铸法制备具有优异热性能和力学性能的聚偏氟乙烯（PVDF）复合薄膜；采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、差示扫描量热仪（DSC）、X射线光电子能谱仪（XPS）、热常数分析仪和电子单纱强力仪等对材料的微观形貌、结晶度、导热性能和力学性能进行了表征。结果表明，经DA和APTMS共修饰后的PDA?CNTs?NH₂具有良好的分散性能；PDA?CNTs?NH₂的加入，有利于改善PVDF复合薄膜的热稳定性；与纯PVDF薄膜和PVDF/CNTs复合薄膜相比，PVDF/PDA?CNTs?NH₂复合薄膜的导热性能和力学性能显著增强，在8 %（质量分数，下同） PDA?CNTs?NH₂的填料负载下，其热导率达到0.337 9 W/（m·K），是纯PVDF薄膜的1.78倍，其拉伸强度为52.67 MPa，是纯PVDF复合薄膜的1.36倍。

关键词: 聚偏氟乙烯, 复合薄膜, 分散性, 热导率, 力学性能

Abstract:

Carbon nanotubes （CNTs） were modified with dopamine （DA） and 3?aminopropyl?trimethoxysilane （APTMS），and then a solvent casting method was used to prepare poly（vinylidene fluoride）（PVDF） composite films with excellent thermomechanical properties. The microscopic morphology， crystallinity， thermal properties and mechanical properties were characterized by means of scanning electron microscope， transmission electron microscope， differential scanning calorimeter， X?ray photoelectron spectrometer， thermal constant analyzer， and electronic single yarn strength meter. The results indicated that the DA?APTMS?co?decorated CNTs （PDA?CNTs?NH₂） exhibited good dispersion properties. The addition of PDA?CNTs?NH₂ was benefical to improve the thermal stability of PVDF composite films. The thermal conductivity and mechanical properties of the PVDF/PDA?CNTs?NH₂ composite films were significantly enhanced compared to the pure PVDF and PVDF/CNTs composite films. Under a loading of 8 wt.% PDA?CNTs?NH₂ filler， the composite films achieved a thermal conductivity of 0.337 9 W/（m·K） and tensile strength of 52.67 MPa， increasing by 78 % and 36 % compared to pure PVDF film， respectively.

Key words: poly（vinylidene fluoride）, composite film, dispersion, thermal conductivity, mechanical property

中图分类号:

TQ 327

吴朝廷, 陈华艳, 张文欣, 吕晓龙. 碳纳米管分散强化PVDF复合薄膜导热性能探究[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 25-31.

WU Chaoting, CHEN Huayan, ZHANG Wenxin, LYU Xiaolong. Study on Thermal Conductivity of Carbon Nanotube Dispersion Strengthened PVDF Composite Film[J]. China Plastics, 2021, 35(7): 25-31.

图/表 10

图1 PDA?CNTs?NH2的制备过程

Fig.1 Preparation of PDA? CNTs?NH2

图2 修饰前后CNTs的 SEM和TEM照片

Fig.2 SEM and TEM images of CNTs before and after modification

图3 PDA?CNTs?NH2的XPS谱图

Fig.3 XPS spectrum of PDA?CNTs?NH2

图4 CNTs和PDA?CNTs?NH2的分散情况

Fig.4 Dispersion of CNTs and PDA?CNTs?NH2

图5 PVDF复合薄膜的SEM断面照片

Fig.5 SEM images of cross?sectional structure of PVDF composite film

图6 PVDF复合薄膜的DSC曲线

Fig.6 DSC curves of PVDF composite film

样品	T_m/℃	T_c/℃	ΔH_m/J·g^-1	X_c/%
PVDF	171.9	142.7	55.23	53.65
0.5?PVDF/PDA?CNTs?NH₂	172.1	143.0	56.61	55.07
1?PVDF/PDA?CNTs?NH₂	172.5	143.4	56.29	55.03
2?PVDF/PDA?CNTs?NH₂	173.1	144.1	56.35	55.53

表1 PVDF复合薄膜的相变温度和Xc

Tab. 1 Phase change temperature and crystallinity of PVDF composite films

图7 不同填料含量的PVDF复合薄膜的拉伸强度

Fig.7 Tensile strength of PVDF composite films with different filler contents

图8 PVDF复合薄膜的热导率和导热增强率

Fig.8 Thermal conductivity and its enhancement of PVDF composite film

图9 PVDF复合薄膜的导热机理

Fig.9 Thermal conductivity mechanism diagram of PVDF composite film

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