纳米氮化硼-聚氨酯/玻纤三维骨架增强的环氧导热复合材料性能探究

2024-12-24
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随着城市发展及工业自动化需求增长,电力成为主要动力。电缆的铺设密集程度不断攀升,呈现出令人瞩目的发展态势。电缆接头成为供电网络的关键节点,然而,受环境因素影响,中间接头成为电缆系统最薄弱和危险的部位,容易损坏,导致击穿爆炸,引发严重火灾和大面积停电。因此,确保接头稳定运行,保障电力系统安全可靠至关重要。电缆接头防爆盒应运而生,它是一道保护屏障,确保接头在高风险环境下安全稳定运行。然而,当防爆盒使用一定时间后会因老化而削弱保护作用。玻璃纤维增强聚氨酯/环氧树脂板具有优良的结构承载性,抗疲劳性、耐腐蚀性和结构尺寸稳定性,可以将其缠绕在防爆盒外,增强防爆盒的保护作用,减少因其老化失效引起的事故。但传统聚合物材料的导热性较差,不利于电缆接头处的热量散发,而长期大量的热量堆积,不仅会制约线路的载流量和加速绝缘层老化,甚至还会造成火灾。因此,很有必要对纤维增强树脂进行导热改性。

城市发展及工业自动化需求增长使电力成主要动力。电缆铺设密集,其接头成为供电网络关键但却是易受环境影响的薄弱部位,易损坏引发火灾和停电。因此,电缆接头防爆盒应运而生,但长期使用会老化、削弱保护。玻璃纤维增强聚氨酯/环氧树脂板可增强防爆盒保护,但传统聚合物导热性差,易导致热量堆积、线路载流量受限、绝缘层老化甚至火灾,故对纤维增强树脂进行导热改性至关重要。

导热改性研究中,向聚合物基体中引入高导热填料因其成本低廉、工艺简单而备受研究者关注。导热填料主要分为金属类、碳类和陶瓷类。金属类和碳类填料在提高聚合物导热性的同时,也会改变其电绝缘性,因此不适用于对电绝缘性要求较高的场合。而陶瓷导热填料则兼具高导热性和良好的绝缘性。例如,Guo等人发现,将氧化锌陶瓷填料填充到环氧树脂中可以显著提升复合材料的导热性能。

此外,邢伟义等人利用氮化硼纳米片对石墨烯进行改性,制备了氮化硼/石墨烯复合填料,并将其添加到环氧树脂中,得到了具有优异导热性能的环氧复合材料。然而,由于填料与基体之间的界面热阻较高,仅靠简单的共混工艺提高聚合物热导率的效果有限。因此,科研人员提出了在聚合物基体内构建三维导热网络的方法,以进一步提高导热性能。

以氮化硼为例,现有的方法通常存在氮化硼添加量大、导致基体综合性能下降的问题。因此,构建三维导热网络成为在低填料含量条件下提高聚合物导热性能的有效手段。许培俊等人通过液相辅助超声法剥离制备氮化硼纳米片(BNNS),并利用溶剂辅助的方法与聚醚多元醇(PPG)共混,使BNNS与PPG分子链原位结合。随后,他们利用玻璃纤维布(GFC)通过一步发泡法制备出泡沫夹层结构的纳米氮化硼-聚氨酯/玻纤(BPUF/GFC)三维骨架,并将环氧树脂(EP)浸渍其中,制备出环氧导热复合材料(BPUF/GFC/EP)。聚氨酯体系本身泡孔分布均匀,作为模板方便快捷,且对环氧树脂体系有一定的增韧效果。

该研究系统地分析了环氧复合材料的导热性能、电绝缘性能、耐电弧性能以及拉伸力学性能,为环氧树脂的导热改性和在电力电缆领域的应用提供了坚实的理论基础。


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