原位法和本体聚合法制备的PA6/POE/AlN纳米复合材料热导率的实验及理论研究

《Scientific Reports》：Experimental and theoretical study on the thermal conductivity of PA6/POE/AlN nanocomposites prepared by in-situ and melt polymerization methods

　　

摘要

通过两种途径制备了含5-20 wt%氮化铝（AlN）的聚酰胺6/聚烯烃弹性体（PA6/POE）纳米复合材料，分别为ε-己内酰胺原位阴离子开环聚合和常规熔体共混，以分离加工工艺对填料分散、相形态和热传输的影响。场发射扫描电子显微镜（SEM）观察表明，原位法可将POE相延伸为稳定的纤维状结构，而熔体共混法则使其呈离散液滴状分布；对不含填料的参照样品进行图像分析，原位共混物的等效畴径中位数为2.8 μm，熔体共混物为3.5 μm。振荡流变学测试证实了这一差异：只有在AlN定位于PA6/POE界面的样品中，储能模量才在低频区出现平台并在类固态响应中体现出来。热导率随AlN含量增加单调上升，直至15 wt%时达到最大值，原位法材料的热导率达到3.06 W·m?1·K?1，为未填充共混物的七倍，比熔体共混对应样品高出7%；此后在20 wt%时热导率降至1.36 W·m?1·K?1，热扩散率急剧下降。对整个组成范围进行了模型分析。在0至15 wt%范围内，Agari模型能够较好地描述实验数据（在对数空间拟合中R2 = 0.95，线性标尺上为0.89），而Nielsen模型和Bruggeman模型对实测热导率的预测约为低估五倍，并返回负的判定系数。在整个0-20 wt%范围内，Agari模型的R2降至0.51，因为所有所考察的模型都随填料含量单调递增，无法再现15 wt%以上的反转趋势。全组成范围的统计结果所反映的是这一结构性局限性，而非数据本身的分散性。因此，界面填料定位和纤维状网络结构被确认为实现导热聚酰胺复合材料的可行途径，而15 wt% AlN被确定为实际最优值，而非所考察的最高填充量。