納米氮化硼-聚氨酯/玻纖三維骨架增強(qiáng)的環(huán)氧導(dǎo)熱復(fù)合材料性能探究

隨著城市發(fā)展及工業(yè)自動化需求增長，電力成為主要?jiǎng)恿?。電纜的鋪設(shè)密集程度不斷攀升，呈現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展態(tài)勢。電纜接頭成為供電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，然而，受環(huán)境因素影響，中間接頭成為電纜系統(tǒng)最薄弱和危險(xiǎn)的部位，容易損壞，導(dǎo)致?lián)舸┍ǎl(fā)嚴(yán)重火災(zāi)和大面積停電。因此，確保接頭穩(wěn)定運(yùn)行，保障電力系統(tǒng)安全可靠至關(guān)重要。電纜接頭防爆盒應(yīng)運(yùn)而生，它是一道保護(hù)屏障，確保接頭在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，當(dāng)防爆盒使用一定時(shí)間后會因老化而削弱保護(hù)作用。玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯/環(huán)氧樹脂板具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)承載性，抗疲勞性、耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，可以將其纏繞在防爆盒外，增強(qiáng)防爆盒的保護(hù)作用，減少因其老化失效引起的事故。但傳統(tǒng)聚合物材料的導(dǎo)熱性較差，不利于電纜接頭處的熱量散發(fā)，而長期大量的熱量堆積，不僅會制約線路的載流量和加速絕緣層老化，甚至還會造成火災(zāi)。因此，很有必要對纖維增強(qiáng)樹脂進(jìn)行導(dǎo)熱改性。

城市發(fā)展及工業(yè)自動化需求增長使電力成主要?jiǎng)恿?。電纜鋪設(shè)密集，其接頭成為供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵但卻是易受環(huán)境影響的薄弱部位，易損壞引發(fā)火災(zāi)和停電。因此，電纜接頭防爆盒應(yīng)運(yùn)而生，但長期使用會老化、削弱保護(hù)。玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯/環(huán)氧樹脂板可增強(qiáng)防爆盒保護(hù)，但傳統(tǒng)聚合物導(dǎo)熱性差，易導(dǎo)致熱量堆積、線路載流量受限、絕緣層老化甚至火災(zāi)，故對纖維增強(qiáng)樹脂進(jìn)行導(dǎo)熱改性至關(guān)重要。

導(dǎo)熱改性研究中，向聚合物基體中引入高導(dǎo)熱填料因其成本低廉、工藝簡單而備受研究者關(guān)注。導(dǎo)熱填料主要分為金屬類、碳類和陶瓷類。金屬類和碳類填料在提高聚合物導(dǎo)熱性的同時(shí)，也會改變其電絕緣性，因此不適用于對電絕緣性要求較高的場合。而陶瓷導(dǎo)熱填料則兼具高導(dǎo)熱性和良好的絕緣性。例如，Guo等人發(fā)現(xiàn)，將氧化鋅陶瓷填料填充到環(huán)氧樹脂中可以顯著提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

此外，邢偉義等人利用氮化硼納米片對石墨烯進(jìn)行改性，制備了氮化硼/石墨烯復(fù)合填料，并將其添加到環(huán)氧樹脂中，得到了具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的環(huán)氧復(fù)合材料。然而，由于填料與基體之間的界面熱阻較高，僅靠簡單的共混工藝提高聚合物熱導(dǎo)率的效果有限。因此，科研人員提出了在聚合物基體內(nèi)構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的方法，以進(jìn)一步提高導(dǎo)熱性能。

以氮化硼為例，現(xiàn)有的方法通常存在氮化硼添加量大、導(dǎo)致基體綜合性能下降的問題。因此，構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)成為在低填料含量條件下提高聚合物導(dǎo)熱性能的有效手段。許培俊等人通過液相輔助超聲法剝離制備氮化硼納米片(BNNS)，并利用溶劑輔助的方法與聚醚多元醇(PPG)共混，使BNNS與PPG分子鏈原位結(jié)合。隨后，他們利用玻璃纖維布(GFC)通過一步發(fā)泡法制備出泡沫夾層結(jié)構(gòu)的納米氮化硼-聚氨酯/玻纖(BPUF/GFC)三維骨架，并將環(huán)氧樹脂(EP)浸漬其中，制備出環(huán)氧導(dǎo)熱復(fù)合材料(BPUF/GFC/EP)。聚氨酯體系本身泡孔分布均勻，作為模板方便快捷，且對環(huán)氧樹脂體系有一定的增韌效果。

該研究系統(tǒng)地分析了環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能、電絕緣性能、耐電弧性能以及拉伸力學(xué)性能，為環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱改性和在電力電纜領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。