鐵粉對電纜復(fù)合材料電性能和導(dǎo)熱性能的影響

雷　巖， 谷龍艷

(許昌學(xué)院 微納米能量儲存與轉(zhuǎn)換材料河南省重點實驗室，河南 許昌 461000)

鐵粉對電纜復(fù)合材料電性能和導(dǎo)熱性能的影響

雷巖， 谷龍艷

(許昌學(xué)院 微納米能量儲存與轉(zhuǎn)換材料河南省重點實驗室，河南 許昌 461000)

摘要：以低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物(LDPE/EVA)體系為基礎(chǔ)，研究了鐵粉對電纜料的機(jī)械性能、電性能和導(dǎo)熱性能的影響.結(jié)果表明，當(dāng)鐵粉含量增加時，電纜復(fù)合材料的機(jī)械性能下降，但下降幅度不大；表面電阻系數(shù)和體積電阻系數(shù)均降低，提高了導(dǎo)電性能；鐵粉的加入增大了熱擴(kuò)散系數(shù)，提高了導(dǎo)熱性能.

關(guān)鍵詞：電纜；鐵粉；靜電；導(dǎo)熱

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，電纜的的使用量和種類也逐年上升.人們根據(jù)用途不同開發(fā)出了各種類型的電纜，如工業(yè)用阻燃電纜、船舶用耐油電纜和建筑采暖用發(fā)熱電纜等[1-4].高分子材料具有極高的表面電阻和體積電阻，一旦摩擦帶電后，靜電荷不易散開并富集在材料表面，形成火花.為了消除靜電，通常添加相應(yīng)的抗靜電劑，如金屬粉末、有機(jī)銨鹽和導(dǎo)電聚合物等[5-8]，但這些原料價格昂貴，尚不能工業(yè)化生產(chǎn)，所以研究電纜的傳熱對解決這一問題有著重要的意義.

低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，因其優(yōu)異的電氣性能、物理機(jī)械性能、良好的絕緣性能，因而在電纜行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用.本文采用了LDPE/EVA共混體系，研究了鐵粉對電纜料的機(jī)械性能、電性能和導(dǎo)熱性能的影響.

1實驗部分

1.1實驗原料

低密度聚乙烯(LDPE，日本宇部公司，MI=1.02 g/10 min，190 ℃，5 kg)；乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA，美國杜邦公司，牌號CM576，MI=3.0 g/10 min，190 ℃，5 kg)；鐵粉(上海龍昕科技發(fā)展有限公司，粒徑約1 μm).

1.2實驗儀器

XH-401型雙輥機(jī)(東莞錫華檢測儀器有限公司)；100T平板硫化機(jī)(鄭州匯生機(jī)械設(shè)備有限公司)；萬能材料測試儀(東莞海達(dá)儀器有限公司)；S-4800 型掃描電鏡(日立公司)；D8-Advance 型X射線衍射儀(德國Bruker公司)；ZC-36型高阻計(上海強(qiáng)佳電氣有限公司)；LFA457型激光導(dǎo)熱分析儀(德國耐馳).

1.3樣品制備

LDPE和EVA各50份，還原鐵粉取5、10、15、20、25份.在雙輥開煉機(jī)上140 ℃共混10 min，然后在160 ℃下熱壓成1 mm厚的片材.

1.4測試與表征

1.2.4 抗胃癌植物類中藥性味歸經(jīng) 人工檢索《中國藥典（一部）》（2015年版）和《中藥學(xué)》（第4版），統(tǒng)計“1.2.2”項下檢索到的抗胃癌植物類中藥品種的性味歸經(jīng)。

1.4.1力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 528-1998進(jìn)行制樣，成啞鈴形，拉力為500 N，速率為250 mm/min，每個樣品平行測試5個，取平均值.

1.4.2微觀形貌

采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測(掃描電壓為15 kV).

1.4.3結(jié)構(gòu)特征

采用X射線衍射(XRD)法進(jìn)行表征(Cu 靶，Kα射線，λ=0.154 nm，掃描速率為8°/min).

1.4.4導(dǎo)電性能

樣品制成厚1 mm，直徑10 cm的圓形片，在ZC-36型高阻計上進(jìn)行測試.

1.4.5導(dǎo)熱性能(用熱擴(kuò)散系數(shù)表示)

試樣為直徑13 mm、高1 mm 的圓片，上下表面均勻噴涂酒精碳粉.干燥后，進(jìn)行測試，每10 ℃取一個點，用微機(jī)附帶軟件進(jìn)行計算.

2結(jié)果與討論

2.1鐵粉對電纜復(fù)合材料機(jī)械性能的影響

圖1和圖2是加入不同份數(shù)鐵粉后電纜復(fù)合材料的斷裂伸長率和斷裂強(qiáng)度變化曲線圖.可以知道，隨著鐵粉份數(shù)的增加，斷裂伸長率呈緩慢降低趨勢，由740%下降到590%.同時電纜復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度也呈緩慢下降趨勢，從19.38 MPa下降到12.74 MPa，這是因為鐵粉與聚合物具有不相容性，分散的鐵粉顆粒與聚合物基體形成界面空隙，這種界面空隙阻礙了力在聚合物中的傳遞.

圖1　鐵粉含量對斷裂伸長率的影響

圖2　鐵粉含量對斷裂強(qiáng)度的影響

2.2鐵粉在電纜復(fù)合材料中的分散

圖3是復(fù)合材料的斷面的SEM圖片，圖3(a)是沒有添加鐵粉的電纜復(fù)合材料，由LDPE和EVA組成，從圖中可以看到斷面比較平滑；圖3(b)是添加鐵粉后的斷面形貌圖，顏色比較亮的為鐵粉顆粒，從圖3(b)可以看到鐵粉顆粒均勻地分散在聚合物基質(zhì)中，均勻的分散有利于導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的提高.

圖3　樣品的表面形貌

圖4是與圖3相對應(yīng)的EDX能譜曲線.曲線a只有兩種元素：碳和氧，碳元素來自于聚合物(LDPE和EVA)鏈段，氧元素來自于EVA側(cè)鏈的羰基；曲線b中出現(xiàn)一種新的元素鐵，來自于添加的鐵粉，鐵元素峰的出現(xiàn)不僅證明了共混的成功，同時也證明了圖3(b)中亮色的為鐵粉顆粒.

2.3鐵粉對電纜復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)影響

圖5是不同鐵粉含量下電纜復(fù)合材料的XRD曲線圖.在LDPE/EVA衍射曲線中，主要出現(xiàn)兩個衍射峰，分別在2θ=21.38°和23.78°，可歸為LDPE晶體的(110)和(200)衍射[9].當(dāng)加入鐵粉時測分別在2θ=44.71°，65.16°和82.40°處出現(xiàn)三個新的衍射峰，它們可歸為單質(zhì)鐵晶體的(110)、(200)和(211)衍射[10]，并且衍射峰強(qiáng)度也隨著鐵粉含量的增加而增加.XRD測試結(jié)果表明，鐵粉的加入并沒有改變聚合物的晶體結(jié)構(gòu).

圖4　樣品的EDX能譜

圖5　不同鐵粉含量樣品的XRD圖

2.4鐵粉對電纜復(fù)合材料電阻系數(shù)的影響

金屬粉末具有良好的導(dǎo)電性，因此常常被用來填充聚合物以提高其抗靜電性能[6].圖6(a)和圖6(b)分別給出了不同鐵粉含量對電纜復(fù)合材料的體積電阻系數(shù)和表面電阻系數(shù)的影響.圖6(a)中電纜復(fù)合材料的體積電阻系數(shù)隨著鐵粉含量的增加而逐漸降低，當(dāng)添加20 phr時，降低了一個數(shù)量級；而圖6(b)中電纜復(fù)合材料的表面電阻系數(shù)，當(dāng)加入5 phr時突然降低，然后隨著鐵粉含量的增加而逐漸降低，這是因為鐵粉的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚合物，所以少量鐵粉就能對聚合物表面導(dǎo)電產(chǎn)生很大的影響.

圖6　不同鐵粉含量對電纜復(fù)合材料電阻的影響

圖7　不同鐵粉含量對電纜復(fù)合材料熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

熱擴(kuò)散系數(shù)是材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo)，熱擴(kuò)散系數(shù)越大，材料中溫度變化傳播得越迅速.本實驗所測試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系如圖7所示.從圖7可以看出,每種電纜復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)均為溫度的單值函數(shù),即每種電纜復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高均呈現(xiàn)逐步下降的趨勢.圖中含鐵量高的樣品熱擴(kuò)散系數(shù)高，這是因為鐵粉的熱擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚合物L(fēng)DPE和EVA的熱擴(kuò)散系數(shù)[11],導(dǎo)致鐵粉含量對電纜復(fù)合材料的熱擴(kuò)散行為影響較大.

將圖7中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,可知所測電纜復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間均滿足關(guān)系式(1)[12].將含鐵電纜復(fù)合材料熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系式列于表1，表1中各熱擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99,說明在測試溫度35～65 ℃范圍內(nèi),這種含鐵電纜復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)均能很好地滿足所得到的關(guān)系式(1).

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3結(jié)論

本實驗采用融熔共混的方法制備了含鐵電纜復(fù)合材料，并對其進(jìn)行測試與表征.

(1)鐵粉的加入降低了電纜復(fù)合材料的機(jī)械性能，斷裂伸長率由740%下降到590%，斷裂強(qiáng)度也從19.38 MPa下降到12.74 MPa.

(2)鐵粉的加入降低了電纜復(fù)合材料的電阻系數(shù)，即提高了導(dǎo)電性能.

(3)鐵粉的加入提高了電纜復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能.

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Effects of Iron Powder on the Electrical Properties and Thermal

Properties of Composite Cable

LEI Yan, GU Long-yan

(KeyLaboratoryofMicro-NanoMaterialsforEnergyStorage

andConversionofHenanProvince,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)

Abstract:In this study, Firstly the iron powder/LDPE/EVA composite was prepared by melt blend, then the effect of iron powder on the mechanical properties, electrical properties and thermal properties of cable composite was analyzed. Results show that when the iron powder content increases, the mechanical property of the composite cable decreases but not shapely, while both the surface resistance and the volume resistance come down, thereby improving conductivity. Therefore, to add iron powder can increase thermal diffusivity and improve thermal performance.

Key words:cable; iron powder; static electricity; thermal conductivity

責(zé)任編輯：衛(wèi)世乾

中圖分類號：TB333

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9824(2015)02-0099-04

作者簡介：雷巖(1985—)，男，河北三河人，助教，碩士，研究方向：新能源材料轉(zhuǎn)換及改性.

基金項目：許昌學(xué)院校內(nèi)科研基金重點項目(2014078)

收稿日期：2014-06-25