木質(zhì)導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能及強化導(dǎo)熱機理研究?

張桂蘭 張振濤 仇洪波 李 博 山其米克

隨著國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保理念的提出，我國在供熱體制上發(fā)生了很大的變化，以低溫?zé)崴椛浜碗姛彷椛錇橹饕膳绞剑ㄒ韵潞喎Q地?zé)岵膳┑姆秶饾u增大，逐漸代替原有的火爐供暖和暖氣供暖，火爐供暖和暖氣供暖能耗高、利用率低、占用室內(nèi)空間大，環(huán)境污染嚴重，而地?zé)岵膳芎芎玫亟鉀Q上述問題，可以預(yù)見，地?zé)岵膳磥頃懈玫陌l(fā)展[1-3]。因此，開展木質(zhì)材料的功能化技術(shù)研究，開發(fā)木質(zhì)功能化新材料，創(chuàng)制高附加值新產(chǎn)品，是解決家裝制品同質(zhì)化、低值化問題的重要措施，是提高木材利用率的重要手段，對實現(xiàn)家裝制品行業(yè)的跨越式發(fā)展具有重大意義。

木質(zhì)導(dǎo)熱材料是將導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱填料填充在導(dǎo)熱系數(shù)低的木質(zhì)基體材料內(nèi)制備而成的一種新型功能材料。因為導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率遠遠高于基體材料，所以無論填料能否在基體中形成“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”，都會提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[4-6]。導(dǎo)熱填料的填充量有一個“滲濾”閥值，當(dāng)超過“滲濾”閥值時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)會以高于填充量在“滲濾”閥值以下的速度增加，此時一般認為填料在復(fù)合材料中已形成了大規(guī)模導(dǎo)熱路徑，當(dāng)導(dǎo)熱材料填充量過高時，熱導(dǎo)率明顯提高，卻會造成強度降低[7-12]。

1 試驗材料、設(shè)備和方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

1）楊木纖維：含水率10%～12%，北京柯諾木業(yè)有限公司；脲醛樹脂膠：固含量49%，北京柯諾木業(yè)有限公司；石墨粉：300、700、2 500目，北京吉興盛安工貿(mào)有限公司；三氧化二鋁，氧化鎂：白色粉末，科普佳（北京）實驗儀器有限公司；鈦酸酯偶聯(lián)劑：淡黃色透明液體，科普佳（北京）實驗儀器有限公司；KH-560偶聯(lián)劑：無色透明液體，科普佳（北京）實驗儀器有限公司；丙酮：分析純，無色液體，科普佳（北京）實驗儀器有限公司。

2）萬能力學(xué)實驗壓機（BY602×212 150T）:墊壓板幅面為500 mm×500 mm， 新協(xié)力（蘇州）企業(yè)發(fā)展有限公司出品；JW-Ⅲ型熱流計試導(dǎo)熱儀：東方奧達（北京）儀器設(shè)備有限公司。

1.2 試驗方法

1）正交試驗設(shè)計。

設(shè)定密度為0.7 g/cm3，固定工藝因素：施膠量10%、熱壓溫度160～180℃、熱壓時間300 s和熱壓壓力3 MPa?？疾焓畛淞?、石墨粒徑大小、偶聯(lián)劑種類對材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱率的影響。根據(jù)因素水平設(shè)計正交試驗表 L9（34）如表1 所示。

2）試驗方法。

力學(xué)性能測試方法及標準：根據(jù)國標GB/T 11718—2009《中密度纖維板》進行。

導(dǎo)熱系數(shù)測試方法：將試件放于相互平行的兩個面板之間，即冷板和熱板之間，待板面溫度恒定不變，熱流計、試件測量部分具有恒定熱流時，即測試狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄冷、熱板熱流計輸出熱電勢mv2、mv1，并記錄板面溫度T3、T4、T5、T6數(shù)值，根據(jù)公式計算任意溫度下的熱阻R。同時，根據(jù)試件厚度，算出試件的導(dǎo)熱系數(shù)λ值。

表1 導(dǎo)熱系數(shù)極差分析結(jié)果Tab.1 The thermal conductivity range analysis results

2 結(jié)果分析與討論

2.1 材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素

木質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)極差分析結(jié)果如表1所示，R值反映不同因素對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，RB＞RA＞RC表明了石墨粒徑對材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響最顯著，其次是石墨填充量，偶聯(lián)劑種類的影響最不顯著。K值反映了同一因素的不同水平對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。具體影響見圖1、2、3。

圖1 石墨填充量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.1 The effect of the amount of graphite fi lled on thermal conductivity

圖2 石墨粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.2 The effect of the graphite particle size on thermal conductivity

圖3 偶聯(lián)劑種類對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.3 The effect of different coupling agents on thermal conductivity

2.1.1 石墨填充量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

如圖1所示，隨著石墨填充量增加，材料導(dǎo)熱系數(shù)呈上升趨勢，石墨填充量15%時，導(dǎo)熱系數(shù)0.149 W/(m·K)。因為石墨填充量少，石墨在木纖維表面不能形成連續(xù)的相，從而不能形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)小。隨著石墨填充量的增加，石墨之間的距離縮短，石墨之間形成了連通的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高。

2.1.2 石墨粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2表明，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨粒徑的減小而增大，相同的填充量，石墨粒徑300目時材料導(dǎo)熱系數(shù)最小， 700目時材料導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高， 2 500目時材料導(dǎo)熱系數(shù)最大。因為粒徑減小，石墨的比表面積增大，粒子與粒子之間接觸的幾率增加，容易形成“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”，所以材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高。隨著石墨粒徑減小，石墨晶格的數(shù)量在材料中增多，熱量傳遞效率提高。當(dāng)然，石墨粒徑并不是越小越好，石墨粒徑過小，材料中孔隙率增大,熱導(dǎo)率降低。這是由于材料的孔隙率增大,晶格缺陷增多,導(dǎo)致聲子的散射程度增加，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。

2.1.3 偶聯(lián)劑種類對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

如圖3所示，未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的材料導(dǎo)熱系數(shù)最小，石墨經(jīng)KH-560處理后，材料導(dǎo)熱性能略有提高，石墨經(jīng)鈦酸酯處理后，制備的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)最高。因此，鈦酸酯偶聯(lián)劑是改性石墨的最佳選擇[13-15]。這是因為KH-560和鈦酸酯的偶聯(lián)機理不同，KH-560是硅烷偶聯(lián)劑，基本官能團為甲氧基，需要先水解形成硅醇基后才能與石墨、木纖維表面鍵合，而鈦酸酯中的基本官能團為烷氧基，可以直接與石墨、木纖維表面鍵合形成單分子層[16-20]，因此保持了較高的偶聯(lián)效率。

2.2 優(yōu)化工藝驗證

經(jīng)篩選獲得優(yōu)化工藝為：石墨填充量為15%，石墨粒徑為2 500目，偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑。用氧化鎂導(dǎo)熱填料做參照，在上述優(yōu)化工藝因子條件下制備導(dǎo)熱材料并檢測其力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能，結(jié)果見表2。

表2 驗證試驗結(jié)果Tab.2 Verif i cation test results

表2顯示，導(dǎo)熱填料的使用可以顯著改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但力學(xué)性能指標均有不同程度的變化，材料的靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度均有下降，但下降后材料的各項性能指標均符合國標GB/T 11718—2009的要求。

2.3 木質(zhì)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱機理研究

2.3.1 導(dǎo)熱理論分析

圖4 木質(zhì)導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of wood thermal conductive material

木質(zhì)導(dǎo)熱材料的結(jié)構(gòu)如圖4所示，導(dǎo)熱的碳納米粒子填充在纖維與纖維之間，形成了較為均勻的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)導(dǎo)熱基本定律——傅里葉定律，確定木質(zhì)導(dǎo)熱材料內(nèi)部傳熱方式包括熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種形式（如圖5所示）。未加碳納米粒子材料的傳熱形式為纖維與纖維之間是熱傳導(dǎo)、纖維與間隙之間是熱輻射(如圖5a)以及空氣熱對流，而加了碳納米粒子的材料，其熱傳導(dǎo)形式和熱流量發(fā)生了變化，首先在原有的傳熱形式和傳熱量不變的情況下增加了纖維與碳納米粒子的熱傳導(dǎo)、碳納米粒子之間的熱傳導(dǎo)(如圖5b)，所以材料的熱流量的增加是顯然的。

圖5 木質(zhì)材料傳熱過程示意圖Fig.5 Structure diagram of heat transfer process of wooden materials

2.3.2 木質(zhì)導(dǎo)熱材料板面溫度測試驗證

表3 對比試驗Tab.3 Comparative test

在相同熱流量、相同厚度的情況下，不加碳納米粒子制備的木質(zhì)材料，傳到上表面的溫度為41.50 ℃。而傳到導(dǎo)熱復(fù)合材料上表面時溫度為47.95 ℃?？梢姡砑犹技{米材料可以顯著提高材料的熱量傳導(dǎo)效率、減少熱損失，降低鍋爐燃煤量，對低碳環(huán)保、節(jié)能減排有重要的意義。

3 結(jié)論

以木纖維為主要原料，以石墨為導(dǎo)熱填料制備木質(zhì)導(dǎo)熱材料,其導(dǎo)熱機理和對材料熱學(xué)性能分析結(jié)論如下：

1）木質(zhì)導(dǎo)熱材料優(yōu)化制備工藝。石墨填充量15%、石墨粒徑2 500目、偶聯(lián)劑種類為鈦酸酯。在此條件下制備的木質(zhì)導(dǎo)熱材料其靜曲強度為35 MPa，彈性模量為17 864 MPa，內(nèi)結(jié)合強度為0.4 MPa，吸水厚度膨脹率為8.2%，均達到國標GB/T 11718—2009要求。

2）木質(zhì)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱機理。導(dǎo)熱填料的加入，增加了材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，明顯提高了材料的熱導(dǎo)系數(shù)，導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.266 W/m·K，比普通復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大了5倍左右。相同厚度的木質(zhì)材料在相同熱流量條件下，導(dǎo)熱材料表面溫度顯著提高，當(dāng)材料下表面溫度為50 ℃，材料厚度8 mm時，相同時間內(nèi)，熱量傳遞至普通地板上表面的溫度為41.50 ℃，而熱量傳遞至導(dǎo)熱材料上表面的溫度卻為47.95 ℃。

[1]楊桂廣, 許鐳芳, 陳真, 等. 裝修用板材的導(dǎo)熱性能分析[J]. 林業(yè)勞動安全, 2012, 2(5):26-28.

[2]扈花芝. 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)分析[J]. 建筑工人, 2005(11):34-35.

[3]Fanger P O. Calculation of Thermal Comfort:Introduction of a Basic Comfort Equation[J]. Ashrae Transactions, 1967, 73(2):l-20.

[4]Hauser G, KempkesC, Olesen BW. Computer Simulation of Hydronic Heating/coolingSystem with Embedded Pipes[J]. AshraeTransactions,2000, 106(l):702-710.

[5]Athienitis A K, Chen T Y. Experimental and Theoretical Investigation of FloorHearting with Thermal Storage[J]. Ashrae Transactions, 1993,99(l):1049-1057.

[6]Gan G, Groome D J. Thermal Comfort Models Based on Field Measurement[J]. AshraeTransactions, 100(l):782-794.

[7]龍惟定. 建筑和建筑設(shè)備的節(jié)能[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

[8]Liu K Q. Study on ceramic carbon conductive refractory composites[C].The Third International Symposium on Refractories, Beijing, 1998:310-304.

[9]Windhorst T, Blount G.Carbon-carbon composites:a summary of recent developments and applications[J]. Materials and Design, 1997,18(l8):11-15.

[10]Kim T, Chung D D L. Carbon fiber mats as resistive heating elements[J].Carbon, 2003, 41(12):2436-2440.

[11]Chen B, Keru W U, Yao W. Characteristics of resistivity-temperature for carbon fiber reinforced concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2006, 21(l):121-124.

[12]Chung D D L.Review: Electrical applications of carbon materials[J]. Journal of Materials Science, 2004, 39(8):2645-2661.

[13]Yang C Q, Wu Z S, Huang H. Electrical Properties of different types of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) and hybrid CFRPs[J]. Carbon, 2007，45(15):3027-3035.

[14]Borisova N V, Sladkov O M，Artemenko A. Performance characteristics of heating Element made of carbon fibers[J]. Fiber Chemistry, 2006, 38(3):221-223.

[15]Wang S, Chung D L. Temperature/light sensing using carbon fiber Polymer matrix composite[J]. Composites Part B: Engineering, 1999, 30(6):591-601.

[16]Fosbury A, Wang S, Pin Y F, et al. The inter-laminar interface of a carbon fiber polymer matrix composite as a resistance heating element[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2003, 34(10):933-940.

[17]賀福. 碳纖維的電熱性能及其應(yīng)用[J]. 化工新型材料, 2005, 33(6):7-8.

[18]曹偉偉, 朱波, 董興廣, 等. 新型無芯體碳纖維紅外電熱輻射管的開發(fā)[J].工業(yè)加熱, 2006, 35 (2):47-49.

[19]李平, 周成學(xué), 陳銳, 等. 碳素材料在發(fā)熱體方面的應(yīng)用與開發(fā)[J]. 碳素, 1999 (2):24-27.

[20]Kabushiki K, Shoji D. Sheet-like electric heater and a sheet-like thermal sensing element using carbon fiber mixed paper:US, 5582757[P]. 1996-12-10.