Research Progress in Factors Affecting Thermal Conductivity of Polymeric Materials

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.09.023

Abstract

Abstract:

The paper reviewed the research progress in factors affecting the thermal conductivity of polymeric materials. The paper also emphatically discussed the influences of their structural characteristics including chain structure， molecular interaction， orientation， and crystallinty， the thermal conductivity fillers including type， content， morphology and size， and the preparation technology on the thermal conductivity of polymeric materials.

Key words: polymeric material, thermal conductivity, orientation, crystallization, thermal conductive filler, preparation technology

CLC Number:

TQ323.6

ZHANG Zhouya, BAI Shijian, ZHANG Yuxia, ZHOU Hongfu, GONG Fangfang, TANG Xueguli, WANG Bin. Research Progress in Factors Affecting Thermal Conductivity of Polymeric Materials[J]. China Plastics, 2021, 35(9): 156-165.

Figures/Tables 10

Fig.1. Conformation diagram of a polymer interacting through hydrogen bonds

Fig.2. The relationship between the dimensionless thermal conductivity and the number of chains of 20 different types and widths of PA nanosheets and the number density of hydrogen bonds in the nanosheet

Fig.3. Schematic representation of the structure of ultradrawn polyethylene

Fig.4. The effect of different fillers on the thermal conductivity of EP composites

Fig.5. The effect of the particle shape on the thermal conductivity of the composites

Fig.6. Thermal conductivity of BN resins with various filler contents

Fig.7. Schematic of fabrication process of the EP/Cu?CFelt composites

Fig.8. Comparison of the thermal conductivity of EP，EP/CFelt and EP/Cu?CFelt composites

Fig.9. Schematic representation of GNP ?SWNT network in polymer matrix

Fig.10. Thermal conductivity of EP/h?BN and EP/h?BN/GO composites with different mass fractions

References 68

1	CHOY C L， WONG Y W， YANG G W， et al. Elastic Modulus and Thermal Conductivity of Ultradrawn Polyethylene［J］. Polymer Physics， 1999， 37（23）： 3 359⁃3 367.
2	SONG J N， WU L， ZHANG Y. Thermal Conductivity Enhancement of Alumina/Silicone Rubber Composites Through Constructing a Thermally Conductive 3D Framework［J］. Polymer Bulletin， 2019， 77（4）： 2 139⁃2 153.
3	BURGER N， LAACHACHI A， FERRIOL M， et al. Review of Thermal Conductivity in Composites： Mechanisms， Parameters and Theory［J］. Progress in Polymer Science， 2016， 61： 1⁃28.
4	LEE W S， HAN I Y， YU J， et al. Thermal Characterization of Thermally Conductive Underfill for a Flip⁃Chip Package Using Novel Temperature Sensing Technique［J］. Thermochimica Acta， 2007， 455（1/2）： 148⁃155.
5	BISWAS S， KIM D K， NAM I W， et al. Highly Conductive and Thermally Stable Nanoparticle⁃conjugated Polymer Compounds Through Environmentally Friendly in Situ Synthesis［J］. Progress in Organic Coatings， 2020， 142： 105606.
6	王家俊. 聚酰亚胺/氮化铝复合材料的制备与性能研究［D］. 杭州：浙江大学， 2001.
7	吕鸣赫. 晶格振动量子化与声子概念［J］. 科技经济市场， 2007（12）： 149⁃150，153.
	LV M H. Concept of Lattice Vibration Quantization and Phonon［J］. Keji Jingji Shichang， 2007，（12）： 149⁃150，153.
8	谢婵，彭富忠. 导热高分子材料的研究与应用分析［J］. 低碳世界， 2019， 9（12）： 268⁃269.
	XIE C， PENG F Z. Analysis of Research and Application of Thermally Conductive Polymeric Materials［J］. Low Carbon World， 2019， 9（12）： 268⁃269.
9	周文英，张亚婷. 本征型导热高分子材料［J］. 合成树脂及塑料， 2010， 27（2）： 69⁃73，84.
	ZHOU W Y， ZHANG Y T. Progress in Intrinsic Thermal Conductivity Polymers［J］. China Synthetic Resin and Plastics， 2010， 27（2）： 69⁃73，84.
10	张进军. 高聚物材料的自组装和相分离［M］. 北京：原子能出版社，2005：1⁃600.
11	MA H， TIAN Z. Effects of Polymer Chain Confinement on Thermal Conductivity of Ultrathin Amorphous Polystyrene Films［J］. Applied Physics Letters， 2015， 107（7）： 073111.
12	TANAKA T， KOZAKO M， OKAMOTO K. Toward High Thermal Conductivity Nano Micro Epoxy Composites with Sufficient Endurance Voltage［J］. Journal of International Council on Electrical Engineering， 2012， 2（1）： 90⁃98.
13	肖善熊，张艺，孙世彧，等. 导热高分子复合材料的研究进展［J］. 广东化工， 2010， 37（2）： 5⁃8，15.
	XIAO S X， ZHANG Y， SUN S Y， et al. Progress in Thermal Conductive Polymer Composites［J］. Guangdong Chemical Industry， 2010， 37（2）： 5⁃8，15.
14	LIU B C， LI Y B， FEI T， et al. Highly Thermally Conductive Polystyrene/Polypropylene/Boron Nitride Composites with 3D Segregated Filler Networks Prepared by Solution⁃Mixing and Hot⁃Pressing Method［J］. Chemical Engineering Journal， 2019， 358. DOI： https：//doi.org/10.1016/j.cej.2019.123829.
15	刘汉，吴宏武. 填充型导热高分子复合材料研究进展［J］. 塑料工业， 2011， 39（4）： 10⁃13.
	LIU H， WU H W. Research Progress of Thermal Conductive Polymer Composites with Fillers［J］. China Plastics Industry， 2011， 39（4）：10⁃13.
16	石路晶，贾长明. 导热高分子材料在电子封装领域应用研究［J］. 包装工程，2014， 35（17）： 127⁃130，134.
	SHI L J， JIA C M. Research Advances in Application of Thermally Conductive Polymer Material in Electronic Packaging［J］. Packaging Engineering， 2014， 35（17）： 127，130，134.
17	LIU J， YANG R G. Tuning the thermal conductivity of polymers with mechanical strains［J］. Physical Review， 2010， 81（17）： 174122.
18	ZHANG T， WU X， LUO T， et al. Polymer Nanofibers with Outstanding Thermal Conductivity and Thermal Stability： Fundamental Linkage between Molecular Characteristics and Macroscopic Thermal Properties［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2014， 188（36）： 21 148⁃21 159.
19	LUO T F， ESFARJANI K， SHIOMI J， et al. Molecular Dynamics Simulation of Thermal Energy Transport in Polydimethylsiloxane［J］. Journal of Applied Physics， 2011，109（7）：892⁃897.
20	周文英，王蕴，曹国政，等. 本征导热高分子复合材料研究进展［J］. 复合材料学报，2021，38（7）：2 038⁃2 055.
	ZHOU W Y， WANG Y， CAO G Z， et al. Progress in the intrinsic thermally conductive polymer composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2021， 38（7）：2 038⁃2 055.
21	KIM G H， LEE D， SHANKER A， et al. High Thermal Conductivity in Amorphous Polymer Blends by Engineered Interchain Interactions［J］. Nature Materials， 2015， 14（3）： 295⁃300.
22	ZHANG L， RUESCH M， ZHANG X， et al. Tuning Thermal Conductivity of Crystalline Polymer Nanofibers by Interchain Hydrogen Bonding［J］. RSC Advances， 2015， 107（5）： 87 981⁃87 986.
23	CHEN H Y， GINZBURG V V， YANG J， et al. Thermal Conductivity of Polymer⁃Based Composites： Fundamentals and Applications［J］. Progress in Polymer Science， 2016， 59： 41⁃85.
24	CHOY C L， KWOK K W， LEUNG W P， et al. Thermal Conductivity of Poly （Ether Ether Ketone） and Its Short⁃Fiber Composites［J］. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics， 1994， 32（8）： 1 389⁃1 397.
25	ANDERSON D R. Thermal Conductivity of Polymers［J］. Chemical Reviews， 1966， 66（6）： 677⁃690.
26	HANSEN D， BERNIER G A. Thermal Conductivity of Polyethylene： The Effects of Crystal Size， Density and Orientation on the Thermal Conductivity［J］. Polymer Engineering and Science， 1972， 12（3）： 204⁃208.
27	李丽，王成国，李同生，等. 聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究［J］. 材料热处理学报， 2007， 28（4）：51⁃54.
	LI L， WANG C G， LI T S， et al. Study on Polycarbonate and Polycarbonate Alloy Thermal Insulating Polymer Materials ［J］. Transactions of Materials and Heat Treatment， 2007， 28（4）： 51⁃54.
28	丁鹏，李军，张锦，等. Al₂O₃粒径与形貌对尼龙复合材料导热性能影响研究［J］. 功能材料， 2015， 46（11）： 11 065⁃11 068.
	LI P， LI J， ZHANG J， et al. Influence of Particle Size and Morphology of Al₂O₃ on Thermal Conductive Property of Nylon Composites［J］. Journal of Functional Materials， 2015， 46（11）： 11 065⁃11 068.
29	李侃社，王琪. 导热高分子材料研究进展［J］. 功能材料， 2002， 33（2）： 136⁃144.
	LI K S， WANG Q. Advances in Thermal Conductive Polymeric Materials［J］. Journal of Functional Materials， 2002， 33（2）： 136⁃144.
30	LANGER L， BILLAUDB D， ISSI JP. Thermal Conductivity of Stretched and Annealed Poly （P⁃Phenylene Sulfide） Films［J］. Solid State Communications， 2003， 126： 353⁃357.
31	蔡忠龙，黄元华，杨光武. 超拉伸聚乙烯的弹性模量和导热性能［J］. 高分子学报， 1997， 3：321⁃342.
	CAI Z L， HUANG Y H， YANG G W. Elastic Modulus and Thermal Conductivity of Ultra Oriented Polyethylene［J］. Acta Polymercia Sinica， 1997， 3： 321⁃342.
32	杨悦. 填充型聚合物基导热符合材料的e_DPD模拟研究［D］. 安徽：安徽大学， 2017.
33	GAXIOLA L D， KEITH J M， NA M， et al. Predicting the Thermal Conductivity of Multiple Carbon Fillers in Polypropylene⁃Based Resins［J］. Journal of Composite Materials， 2011， 45（12）： 1 271⁃1 284.
34	KUME S， YAMADA I， WATARI K. High⁃Thermal⁃Conductivity AlN Filler for Polymer/Ceramics Composites［J］. Journal of the American Ceramic Society， 2009， 92（1）： 153⁃156.
35	HARADA M， HAMAURA N， OCHI M， et al. Thermal Conductivity of Liquid Crystalline Epoxy/BN Filler Composites Having Ordered Network Structure［J］. Composites Part B Engineering， 2013， 55： 306⁃313.
36	YU A P， RAMESH P， SUN X， et al. Enhanced Thermal Conductivity in a Hybrid Graphite Nanoplatelet–Carbon Nanotube Filler for Epoxy Composites［J］. Advanced Materials， 2008， 20（24）： 4 740⁃4 744.
37	高智芳. 纳米填料和高导热高分子复合材料的制备及其性能研究［D］. 天津：天津大学， 2012.
38	孙善卫，方超. 高导热聚酰亚胺薄膜的制备及性能表征［J］. 安徽化工， 2021， 47（2）： 64⁃69.
	SUN S W， FANG C. Preparation and Performance Characterization of High Thermal Conductivity Polyimide Film［J］. Anhui Chemical Industry， 2021， 47（2）： 64⁃69.
39	丁金波，王振华，张立群. 纳米氧化铝/天然橡胶复合材料的性能研究［J］. 橡胶工业， 2012， 59（6）： 333⁃334.
	DING J B， WANG Z H， ZHANG L Q. Properties of Nano⁃alumina/NR Composites［J］. China Rubber Industry， 2012， 59（6）： 333⁃334.
40	吴建，郑炜琼，周正发，等. PP⁃g⁃MAH增容PP/BN/ Al₂O₃导热绝缘复合材料［J］. 塑料工业，2020， 48（4）： 132⁃133.
	WU J， ZHENG W Q， ZHOU Z F， et al. PP⁃g⁃MAH Compatibilizing PP/BN/Al₂O₃ Thermal Insulation Composite［J］. China Plastics Industry， 2020， 48（4）： 132⁃133.
41	张小璇. 导热硅橡胶的制备与性能研究［D］. 济南：山东大学， 2020.
42	WANG J J， YI X S. Effects of Interfacial Thermal Barrier Resistance and Particle Shape and Size on The Thermal Conductivity of AlN/PI Composites［J］. Composites Science and Technology， 2004， 64（10/11）： 1 623⁃1 628.
43	FU Y X， HE Z X， MO D C， et al. Thermal Conductivity Enhancement with Different Fillers for Epoxy Resin Adhesives［J］. Applied Thermal Engineering， 2014， 66（s1⁃2）： 493⁃498.
44	郝鲁阳，温变英，张宜鹏. 填料形状对聚酰胺6基复合材料导热性能的影响［J］. 中国塑料， 2017， 31（11）： 35⁃40.
	HAO L Y， WEN B Y， ZHANG Y P. Effect of Filler Shape on Thermal Conductivity of Polyamide［J］. China Plastics， 2017， 31（11）： 35⁃40.
45	TSUTSUMI N， TAKEUCHI N， KIYOTSUKURI T. Measurement of Thermal Diffusivity of Filler⁃Polyimide Composites by Flash Radiometry［J］. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics， 1991， 29（9）：1 085⁃1 093.
46	周文英，齐暑华，徐春潮，等. Al₂O₃对导热硅橡胶性能的影响［J］. 合成橡胶工业， 2006， 29（6）： 462⁃465.
	ZHOU W Y， QI S H， XU C C， et al. The Effect of Al₂O₃on The Properties of Thermally Conductive Silicone Rubber［J］. China Synthetic Rubber Industry， 2006， 29（6）： 462⁃465.
47	余浩斌，张婧婧，何穗华，等. 石墨烯微片的尺寸和形态对聚丙烯基纳米复合材料导电导热性能的影响［J］. 中国塑料， 2018， 32（3）： 51⁃58.
	YU H B， ZHANG J J， HE S H， et al. Effects of Size and Shape of Graphene Nanoplatelet（GNP） on Electrical and Thermal Conductivity of PP/GNP Nanocomposites［J］. China Plastics， 2018， 32（3）： 51⁃58.
48	陈亚男. 金刚石⁃硅橡胶热界面复合材料的制备与性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2016.
49	DONNAY M， TZAVALAS S， LOGAKIS E. Boron Nitride Filled Epoxy with Improved Thermal Conductivity and Dielectric Breakdown Strength［J］. Composites Science and Technology， 2015（110）： 152⁃158.
50	YUNG K C， LIEM H. Enhanced Thermal Conductivity of Boron Nitride Epoxy⁃Matrix Composite Through Multi⁃Modal Particle Size Mixing［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2007， 106（6）： 3 587⁃3 591.
51	刘汉. 膨胀石墨/聚丙烯导热高分子复合材料的研究［D］. 广州：华南理工大学， 2012.
52	邢荣芬，陈明敬，邵宇，等. 填充型导热高分子复合材料的研究进展［J］. 塑料工业， 2017， 45（9）： 15⁃27.
	XING R F， CHEN M J， SHAO Y， et al. Research Pro⁃gress in Filled⁃Type Thermal Conductive Polymer Composite［J］. China Plastics Industry， 2017， 45（9）： 15⁃27.
53	刘圣楠，蔡会武，王行行，等. 环氧树脂复合材料的制备及其导热性能研究［J］. 绝缘材料， 2019， 52（2）： 19⁃23.
	LIU S N， CAI H W， WANG X X， et al. Preparation and Thermal Conductivity of Epoxy Resin Composites［J］. Insulating Materials， 2019， 52（2）： 19⁃23.
54	XU F， CUI Y X， BAO D， et al. A 3D Interconnected Cu Network Supported by Carbon Felt Skeleton for Highly Thermally Conductive Epoxy Composites［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 388： 124687.
55	HONGA J P， YOON S W， HWANG T， et al. High Thermal Conductivity Epoxy Composites with Bimodal Distribution of Aluminum Nitride and Boron Nitride Fillers［J］. Thermochimica Acta， 2012， 537： 70⁃75.
56	WATTANAKUL K， MANUSPIYA H， YANUMET Y. The Adsorption of Cationic Surfactants on BN Surface： Its Effects on The Thermal Conductivity and Mechanical Properties of BN⁃Epoxy Composite［J］. Colloids and Surfaces a Physicochemical and Engineering Aspects， 2010， 369（1/3）：203⁃210.
57	TENG C C， MA C C， CHIOU K C， et al. Synergetic Effect of Hybrid Boron Nitride and Multi⁃Walled Carbon Nanotubes on The Thermal Conductivity of Epoxy Composites［J］. Materials Chemistry and Physics， 2011， 126（3）： 722⁃728.
58	HUANG T， ZENG X L， YAO Y M， et al. Boron Nitride@Graphene Oxide Hybrids for Epoxy Composites with Enhanced Thermal Conductivity［J］. RSC Advances， 2016， 6（42）：35 144⁃36 217.
59	ZHANG Y H， CHOI J R， PARK S J. Interlayer Polymerization in Amine⁃Terminated Macromolecular Chain⁃Grafted Expanded Graphite for Fabricating Highly Thermal Conductive and Physically Strong Thermoset Composites for Thermal Management Applications［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2018，109：498⁃506.
60	刘海林，马晓燕，袁莉，等. 分子自组装研究进展［J］. 材料科学与工程， 2004，22（2）：308⁃311.
	LUI H L， MA X Y， YUAN L， et al. Molecule Self⁃assembly Technology and Its Research Advances［J］. Journal of Materials Science & Engineering， 2004，22（2）：308⁃311.
61	熊高虎，刘佳鸿，孙静. 碳纳米管/环氧树脂复合材料的静电自组装制备及性能［J］. 高分子材料科学与工程，2013，29（1）：136⁃139.
	XIONG G H， LIU J H， SUN J. Electrostatic Self⁃Assembly Preparation and Properties of Carbon Nanotube/Epoxy Composites［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2013，29（1）：136⁃139.
62	余鑫，王跃川. 石墨烯/聚苯乙烯导热复合材料的制备［J］. 塑料工业， 2018，46（4）：156⁃159.
	YU X， WANG Y C. Preparation and Thermal Conductivity of G/PS Composites［J］. China Plastics Industry， 2018，46（4）：156⁃159.
63	刘彦波，苏朋超，王志谦，等. 填充型导热高分子研究进展［J］. 河南化工， 2014， 31（3）： 21⁃24.
	LIU Y B， SU P C， WANG Z Q， et al. Research Progress of Filled Thermal Conducting Polymers［J］. Henan Chemical Industry， 2014， 31（3）： 23⁃24.
64	ZHANG X R， XIE X Y， CAI X Z， et al. Graphene⁃Perfluoroalkoxy Nanocomposite with High Through⁃Plane Thermal Conductivity Fabricated by Hot⁃Pressing［J］. Nanomaterials， 2019， 9（9）： 1 320.
65	裴凯，田晓慧，孙金煜，等. 纤维素基导热复合材料的制备及性能研究［J］. 化工新型材料， 2021， 49（5）： 222⁃226.
	PEI K， TIAN X H， SUN J Y， et al. Preparation and Property of Cellulose⁃Based Thermal Conductive Composite Material［J］. New Chemical Materials， 2021， 49（5）： 222⁃226.
66	李晔. 水玻璃基无机保温泡沫的制备与性能研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2016.
67	HU Y， DU G P， CHEN N. A Novel Approach for Al2O3/Epoxy Composites with High Strength and Thermal Conductivity［J］. Composites Science and Technology， 2016， 124： 36⁃43. DOI：10.1016/j.compscitech.2016.01.010 .
68	HU M C， FENG J Y， WU J M. Thermally Conductive PP/AlN Composites with A 3⁃D Segregated Structure［J］. Composites Science and Technology， 2015， 110： 26⁃34. DOI：10.1016/j.compscitech.2015.01.019 .

[1]	ZHANG Qiang, ZHANG Jian, LIN Lin, LIU Jing, WANG Tianhe. Research progress in heat transfer enhancement measures for wall materials of microencapsulated phase change materials [J]. China Plastics, 2022, 36(7): 187-196.
[2]	HUANG Xuemei, LIU Hesheng, HUANG Xingyuan, YU Zhong, JIANG Shiyu. Numerical simulation and experimental study on gas⁃assisted extrusion process of U⁃shaped parts [J]. China Plastics, 2022, 36(7): 93-103.
[3]	LI Rui, JIANG Yanfeng, WU Shuang, AN Yanjie, JIANG Zeyu, ZHANG Mingqiang. Microstructure and thermal characterization of polypropylene special material for cast films through temperature rising elution fractionation [J]. China Plastics, 2022, 36(3): 53-57.
[4]	SUN Tao, YANG Qing, HU Jian, WANG Yangyang, LIU Bo, YUN Xueyan, DONG Tungalag. Preparation and properties of poly（lactic acid⁃co⁃glycolic acid） film [J]. China Plastics, 2022, 36(2): 33-40.
[5]	HE Mingfeng, WANG Ke, WANG Qiyang, YANG Xiao, GUO Hong, HU Boyang, LI Baoan. Study on polyvinylidene fluoride/matrix⁃like groups⁃modified graphene composites with high thermal conductivity [J]. China Plastics, 2022, 36(2): 41-48.
[6]	WANG Qiyang, YANG Xiao, CHEN Jihuan, HE Yuexing, YANG Dongmei, HU Boyang, GUO Hong, LI Baoan. Study on double⁃segregated polyethylene/graphene composites with high thermal conductivity [J]. China Plastics, 2022, 36(1): 32-41.
[7]	WANG Zhenhua, YANG Zheng, JU Aoying, LU Shike, LIU Baoying, FANG Xiaomin, DING Tao, XU Yuanqing. Effect of compatibilizers on properties of glass⁃fiber⁃reinforced polyoxymethylene composites [J]. China Plastics, 2022, 36(1): 53-60.
[8]	MAO Chen, LIU Fan, E Yi, ZOU Shuyan, GONG Xinghou. Preparation and effect of nano CoFe₂O₄ on crystallization performance of PLA [J]. China Plastics, 2022, 36(1): 9-14.
[9]	LUO Fei, LI Cuijuan, LIU Zhuojia, LIU Yuxin, SHI Suyu, DANG Xudan, LIU Chuntai, ZHAO Yongtao. Study on Relationship between Molecular Orientation and Dynamic Viscoelasticity of Polycarbonate [J]. China Plastics, 2021, 35(9): 81-86.
[10]	LI Xiangyang, YANG Linzhu, ZHAI Guoqiang, GAO Wanqin, WANG Kezhi, LI Xungang. Effect of Nucleating Agent on Crystallization and Properties of Poly（butylene succinate） [J]. China Plastics, 2021, 35(8): 146-151.
[11]	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.
[12]	FENG Xiping, ZHANG Shengyuan, LIANG Qun, WANG Bo. A Review of Laser In⁃situ Curing of Thermoplastic Composites [J]. China Plastics, 2021, 35(6): 111-124.
[13]	ZHONG Luohao, KUANG Tangqing, LAI Jiamei, LIU Hesheng, LAI Dewei. Effect of Molding Process on Wall Residual Thickness Distribution and Glass⁃fiber Orientation of Short⁃glass⁃fiber⁃reinforced Polypropylene Molded Pipes [J]. China Plastics, 2021, 35(5): 11-16.
[14]	GUO Jinqiang, WANG Fuyu, ZHANG Yuxia. Research Progress in Polymeric Materials with High Barrier Performance [J]. China Plastics, 2021, 35(5): 146-155.
[15]	XU Jiayi. Preparation and Properties of Hypromellose⁃toughened Poly（lactic acid） Composites [J]. China Plastics, 2021, 35(5): 59-64.