一种提高高分子聚合物材料导热性能的制备方法与流程

本发明属于高分子聚合物材料技术领域，特别涉及一种提高高分子聚合物材料导热性能的制备方法。

背景技术：

导热材料广泛应用于换热工程、采暖工程、电子信息工程等领域。长期以来，金属材料作为用于导热材料普遍使用。金属材料由于抗腐蚀性能差从而限制了其应用范围。为了提高金属的抗腐蚀能力，工程上通常采用合金技术、防腐涂层等技术，却大大降低了其导热性能。高分子聚合物材料，与木材、金属和硅酸盐并称为世界四大材料体系，具有高韧性、耐高温、耐腐蚀、耐极端条件等特点，并且具有特殊的光学、电学和磁学的性能，成为金属材料的理想替代。但是，高分子聚合物材料的导热系数小，要拓展其在导热领域的应用，提高导热性能是关键。

传统的提高高分子聚合物导热性能的方法主要集中于复合材料，即掺入金属纳米颗粒、碳纳米管等，由于掺杂物与受入物之间的表面热阻，此方法的导热性能提高效果有限。最近的实验研究发现，正常的高分子聚合物模块具有很小的导热系数(0.1～0.4w/(m·k))，而单链聚乙烯纳米纤维作为高分子聚合物的一种基础结构单元拉直后具有很高的导热系数达到104w/(m·k)，超过了大多数纯金属材料，该方法通过改变聚乙烯链的排列形式，由常温下自然团聚的分子排布转变为单向延伸的分子排列，从而提高了高分子聚合物材料的导热系数，由此引出了一种改善分子链排序以提高高分子聚合物导热率的方法。另外，研究发现高分子聚合物分子链排序受拉伸过程和退火温度的影响，但未对制备条件对导热系数的影响形成系统的分析。因此，针对制备具有较高导热系数的高分子聚合物，根据实际制备要求，简单、可靠、有效地确定符合要求的制备条件，改良高分子聚合物的实际加工和成型过程，提高生产的经济性和有效性，是目前高导热性能高分子聚合材料制备过程中需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种提高高分子聚合物材料导热性能的制备方法，系统地总结拉伸应变、拉伸速率、退火温度对高分子聚合物材料导热性能的影响规律，以快速获得符合制备要求的拉伸应变、拉伸速率和退火温度，提高生产的经济性和有效性。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种提高高分子聚合物材料导热性能的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，建立高分子聚合物材料的基底模型；

步骤2，通过模拟或实验进行不同的拉伸应变、拉伸速率、退火温度下高分子聚合物材料的制备过程，分析各条件下生成的高分子聚合物材料的导热性能；

步骤3，根据各条件下生成的高分子聚合物材料的导热性能，总结不同条件对导热性能的影响规律，并建立拉伸应变、拉伸速率、退火温度与导热性能相对应的数据库；

步骤4，根据导热性能的要求，调用数据库，获得高分子聚合物材料制备过程的最佳拉伸应变、拉伸速率和退火温度；

步骤5，利用步骤4所得最佳拉伸应变、拉伸速率和退火温度，在对应的实际制备系统中制备高分子聚合物材料，并对制得的高分子聚合物材料进行机械性能分析，判断是否满足制备要求；若否，则根据步骤3中总结的影响规律，调整制备条件，进行迭代判别，获得满足制备要求的高分子聚合物材料；若是，则输出满足要求的制备条件。

优选地，所述步骤1具体包括：进行高分子聚合物材料的结构以及模拟力场的选择；或在试验方法中，高分子聚合物材料结构的选择。

优选地，所述步骤2中，进行不同的拉伸应变、拉伸速率、退火温度下高分子聚合物材料的制备过程通过建立拉伸应变、拉伸速率、退火温度的控制系统实现，所述拉伸应变、拉伸速率、退火温度的控制系统是根据实际制备过程中操作条件的不同，可以采用控制变量法改变拉伸应变、拉伸速率和退火温度分别进行高分子聚合物材料的制备过程。

优选地，所述步骤2中，所述高分子聚合物材料的导热性能包括：高分子聚合物材料的热导率。

优选地，所述步骤5中，高分子聚合物材料的机械性能包括：高分子聚合物材料的杨氏模量，拉伸极限，屈服应力、粘弹性中任意一种或几种。

优选地，所述步骤5中，判断是否满足制备要求的条件为：在模拟所得最佳拉伸应变、拉伸速率和退火温度下实际制备高分子聚合物材料，对所制备高分子聚合物材料进行拉伸试验分析，根据测量结果判断是否满足制备要求。

优选地，所述步骤5中，所述调整制备条件的具体方法为：根据测量结果分析实际制备的高分子聚合物材料，调节拉伸应变、拉伸速率和退火温度来实际制备高分子聚合物材料。

相对于现有技术，本发明的优点如下，

采用本发明提供的方法，在最优的拉伸应变、拉伸速率和退火温度的制备条件下，高分子聚合物材料的热导率可以提高到1.50w/(m·k)，是未加工前高分子聚合物材料的15倍左右。

总结拉伸应变、拉伸速率、退火温度三种条件对高分子聚合物材料导热性能和机械性能的影响规律，为高分子聚合物材料的优化提供方向，简单方便。

改变拉伸应变、拉伸速率、退火温度等操作参数，普适于其他制备系统，涉及范围广，可控性强，解决了目前生产高导热性能高分子聚合物材料的难题，具有广阔的前景与实用价值。

附图说明

图1是为本发明提高高分子聚合物材料导热性能的制备方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的热导率随退火温度变化的示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1为本发明实施例一种提高高分子聚合物材料导热性能制备方法的流程示意图。本实施通过拉伸过程制备高分子聚合物材料并采用模拟的手段确定数据库的参数。在模拟过程中，选用高分子碳链为基底，不考虑拉伸应变和拉伸速率的影响，探讨不同退火温度下的制备过程，并得到不同拉伸速率下高分子聚合物的导热性能，结合模拟和实际制备过程，优化制备方案，实施例提供的提高高分子聚合物材料导热性能的优化方法具体包括以下步骤：

步骤101：建立以高分子碳链为模型的基底；

其中，步骤101中建立以高分子碳链为模型的基底，具体包括：

采用分子动力学模拟软件lammps，通过编程建立高分子碳链的模块模型，在linux系统下进行操作和运行，并建立了适用于高分子聚合物材料的coarse-grained势场，以此来模拟高分子碳链的拉伸过程。本实施例所采用的高分子碳链为高分子聚乙烯(热导率为0.15w/(m·k))。

步骤102：建立拉伸应变、拉伸速率、退火温度的控制系统；

其中，步骤102中建立拉伸应变、拉伸速率、退火温度的控制系统，具体包括：

根据制备过程，选定合适的易于控制拉伸应变、拉伸速率和退火温度的系统；其中，本实施例中通过在lammps中编程设定拉伸应力、拉伸速率和退火温度，以此来优化拉伸应变、拉伸速率和退火温度。

步骤103：进行不同工况下高分子碳链的制备过程并计算热导率；

其中，步骤103中进行不同工况下高分子碳链的制备过程并计算热导率，具体包括：

本实施例中，当不考虑拉伸应变和拉伸速率时，在不同的退火温度(125℃、225℃、325℃)下模拟高分子碳链的拉伸过程，得到不同温度下高分子碳链的热导率随拉伸应变的变化(如图2所示)，图中高分子碳链的拉伸速率均为5×10⁷s^-1。从图中可以看出，在退火温度125℃，拉伸应变为8时，热导率达到最大，为1.05w/(m·k)；在退火温度225℃，拉伸应变大于14时，热导率达到最大，为1.50w/(m·k)；在退火温度325℃，拉伸应变大于6时，热导率达到最大，仅为0.75w/(m·k)。因此，不考虑拉伸应变和退火温度的影响时，在退火温度为225℃时，高分子碳链可实现最大的热导率，为1.50w/(m·k)。

步骤104：总结不同条件对高分子碳链导热性能的影响，并建立不同导热性能与最优模拟条件相对应的数据库；

其中，步骤104中总结不同条件对高分子碳链导热性能的影响，并建立不同导热性能与最优模拟条件相对应的数据库，具体包括：

根据步骤103中得到的热导率随退火温度的变化趋势，确定在拉伸应变14，拉伸速率5×10⁷s^-1、退火温度225℃的条件下实际制备高分子碳链时，高分子碳链可实现最大的热导率，达到1.50w/(m·k)。

步骤105：根据实际需要的导热性能，调用数据库，获得最佳模拟条件；

其中，步骤105中，根据实际需要的导热性能，调用数据库，获得最佳模拟条件，具体包括：

由于本实施例仅模拟了退火温度对导热性能的影响，在拉伸应变14，拉伸速率5×10⁷s^-1时，直接读取此时的最佳退火温度为225℃。

步骤106：在最佳模拟条件下实际制备高分子碳链并进行导热性能分析；

其中，步骤106中在最佳模拟条件下实际制备高分子碳链并进行导热性能分析，具体包括：

首先在拉伸应变14，拉伸速率5×10⁷s^-1、退火温度225℃下实际制备高分子碳链，然后在高分子碳链的两端分别施加热源t1与冷源t2，形成温度梯度，然后模拟得到高分子碳链的热流密度q，根据傅里叶定律q＝k(t1-t2)，计算得到高分子碳链的热导率k为1.50w/(m·k)。

步骤107：判断高分子碳链的机械性能是否满足制备要求；

本实施例中判断高分子碳链的机械性能是否满足制备要求，具体包括：

在拉伸应变14，拉伸速率5×10⁷s^-1、退火温度225℃下实际制备高分子碳链，然而对制备成功的高分子碳链进行拉伸试验，得到高分子碳链的杨氏模量为1.18gpa。此时，高分子碳链的机械性能与未拉伸时高分子碳链的机械性能(1.38gpa)的误差小于10％，高分子碳链的机械性能符合制备要求。

步骤108：若是，则输出满足制备要求的条件。

本实施例中得到高分子碳链制备过程的最优条件为：拉伸应变14，拉伸速率5×10⁷s^-1、退火温度225℃，此时高分子碳链的热导率为1.50w/(m·k)，高分子碳链的机械性能符合制备要求，可直接输出条件，进行高分子碳链的制备。

步骤109：若否，则根据各制备条件对高分子聚合物材料导热性能的影响规律，适量的调节拉伸速率来实际制备高分子聚合物材料。

采用上述步骤101-109同样的步骤，在步骤103中，不考虑退火温度和拉伸应变的影响，探讨不同拉伸速率下的制备过程，退火温度为225℃，在拉伸速率5×10⁷s^-1，拉伸应变大于14时，热导率达到最大，为1.50w/(m·k)。

本发明实施例通过上述监控方法，技术人员可以预测不同拉伸应变、拉伸速率和退火温度下高分子聚合物材料的导热性能，为高分子聚合物材料的工业生产提供指导，经济有效；总结以上三种条件对高分子聚合物材料导热性能的影响规律，为高分子聚合物材料导热性能的优化提供方向，简单方便；依据制备要求只需改变迭代运算的判断条件，即可获得满足新要求的条件，可控性强；只需更换制备系统的尺寸和影响条件等因素，则可适用于其他制备系统，涉及范围广，解决了目前高分子聚合物材料低导热性能的难题，具有广阔的前景与实用价值。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。