全 文 ：第 32 卷 第 1 期
2011 年 1 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal of Inner Mongolia Agricultural University
Vol． 32 No． 1
Jan． 2011
沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料导热性能研究*
韩 望， 张桂兰* ， 安 珍* ， 富艳春
(内蒙古农业大学材料与艺术设计学院，呼和浩特 010018)
摘要: 以聚合物发泡技术与人造板工艺技术相结合制备沙柳纤维 /聚丙烯(PP)发泡复合材料，主要研究热压工艺
对复合材料导热系数的影响。研究结果表明:添加发泡剂，可明显降低复合材料的导热系数;经方差极差分析得知:
⑴热压工艺因子对沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料导热系数的影响均非常显著;⑵影响大小顺序:复合时间，发泡剂
间比例，复合温度，发泡剂加量和偶联剂加量。
关键词: 复合材料; 导热系数; 发泡
中图分类号: TS62 文献标识码: A 文章编号:1009 － 3575(2011)01 － 0231 － 05
STUEY ON THERMAL CONDUCTIVITY OF
SALIX FIBER AND PP COMPOSITE
HAN Wang， ZHANG Gui － lan* ， AN Zhen* ， FU Yan － chun
(College of Material Science And Art Design ，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)
Abstract: An investigation has been performed on Thermal conductivity of Salix fiber and polypropylene (PP)Composite using com-
bination of polymer foam technology and wood － based panel technology． Based on the variance analysis and maximum difference analy-
sis:foaming agent，can significantly reduce the thermal conductivity of composite materials;the results also showed that:⑴hot process
factors on Salix fiber /polypropylene foam thermal conductivity of composite materials are very significant;⑵Of the order:compound
time，between the proportion of foaming agent，compound temperature，amount of blowing agent and coupling agent increases the a-
mount of increase．
Key words: Composite; thermal conductivity; foam
聚合物复合材料已被广泛研究，涉及聚合物材
料的增强、增韧以提高其机械力学性能和功能化以
提高其导电、导热性能［1］。木塑复合材料(WPC)兼
具木材与塑料的共同特性，这使该材料能够广泛用
于建筑行业、室内装饰等。要作为室内装饰材料，隔
热保温性能是主要考察因素之一。
木塑复合材料的组元木材和塑料均为高分子材
料，其制备的木塑复合材料结构和化学组成十分复
杂，而材料的导热与其组成、内含物、制备工艺有着
直接关系［2］。隋仲义［3］等对复合材料的内部结构与
导热系数关系密切，陈瑞英［4］等发现导热系数是孔
隙率的函数，孔隙率越大的木材，导热系数越小。木
塑发泡复合材料的传热过程是 1 个十分复杂的过
程，本实验采用 JW －Ⅲ型热流计式导热仪重点研究
沙柳纤维 /聚丙烯(PP)发泡复合材料制备工艺与导
热系数之间的关系，希望能为木塑复合材料的传热
提供理论依据。
1 试验材料和方法
1． 1 试验材料
1． 1． 1 PP /沙柳纤维卷材(木塑比 = 7:3) ，中国林业
科学院木工所制备。
1． 1． 2 发泡剂 偶氮二甲酰胺(AC)化学纯，山东
* 收稿日期: 2011 － 01 － 04
基金项目: 国家自然科学基金(31060097)
作者简介: 韩望，(1984 －) ，男，硕士研究生，主要从事生物质基复合材料的研究。．
* 通讯作者: E － mail:zhangguilan2003@ hotmail． com． cn
红五星化工公司。
1． 1． 3 助发泡剂 碳酸氢钠，化学纯。
1． 1． 4 偶联剂 Y －缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅
烷(KH560) :无色透明液体，北京市申达精细化工有
限公司。
1． 2 试验设备
热压机:150T(BY602 × 2 /2)万能试验机，垫压
板幅面 500mm × 500mm，苏州新协力企业发展有限
公司;电子天平:精度为 0． 001g;
游标卡尺:0． 01m;
JW －Ⅲ型热流计式导热仪:热阻 ＞ 0． 1 W /(m2
·K) ，北京东方奥达仪器设备有限公司。
1． 3 试验方法
本试验以 KH560 为偶联剂，以偶氮二甲酰胺和
碳酸氢钠为主副发泡剂制备沙柳纤维 /聚丙烯发泡
复合材料，主要研究热压工艺参数与导热系数之间
的关系。
1． 3． 1 工艺路线 沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料
制备工艺路线
图 1 沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料制备工艺
Fig． 1 Salix fiber /polypropylene foam composite preparation
1． 3． 2 工艺因子的选择和设计 本试验重点考察 5
个工艺因子:复合温度、复合时间、偶联剂加入量、发
泡剂加入量、主副发泡剂之间的比例。主要性能指
标为复合材料导热系数。每个工艺因子选用 4 个水
平，因子水平表见表 1。
表 1 沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料因子、水平表
Tab． 1 Variable factors and levels for Salix fiber /polypropylene foam composite
水平
因子
温度(℃) 时间(s) 偶联剂含量(%) 发泡剂含量(%) 比例
1 170 900 0 0 1:2
2 180 1 200 3 3 1:1
3 190 1 500 6 6 2:1
4 200 1 800 9 9 3:1
注:固定工艺条件:热压压力 4． 0MPa，设计密度 0． 3g /cm2，板材幅面 350mm ×350mm，厚度 8mm
根据上述因子与水平的设定，选定正交表 L16
(45) (见表 2) ，采用方差、极差分析确定各工艺因子
对复合材料导热性能影响的显著性以及因子间的水
平差异。
表 2 木纤维 /聚丙烯发泡复合材料正交试验设计
Tab． 2 The experiment design of Salix fiber /polypropylene foam composite
因子
试验号
温度(℃) 时间(s) 发泡剂含量(%) 偶联剂含量(%) 比例
1 170 900 0 0 1:2
2 170 1 200 3 3 1:1
3 170 1 500 6 6 2:1
4 170 1 800 9 9 3:1
5 180 900 3 6 3:1
6 180 1 200 0 9 2:1
7 180 1 500 9 0 1:1
8 180 1 800 6 3 1:2
9 190 900 6 9 1:1
10 190 1 200 9 6 1:2
11 190 1 500 0 3 3:1
12 190 1 800 3 0 2:1
13 200 900 9 3 2:1
14 200 1 200 6 0 3:1
15 200 1 500 3 9 1:2
16 200 1 800 0 6 1:1
注:每个条件重复 2 次
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1． 3. 3 导热系数测定 被测试板材在室温下存放
24h后裁制成 30cm × 30cm 试件。密度、静曲强度、
吸水厚度膨胀率按照 JIS A5905:2003 测试。
导热系数测定:本实验采用稳态双平板法测定
导热系数，热板温度 60℃，冷板温度 30℃。
2 结果与讨论
以 KH560 为偶联剂，以偶氮二甲酰胺和碳酸氢
钠为主副发泡剂制备的沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合
材料性能测试结果汇总见表 3;对正交试验各试验因
子的结果进行方差分析和显著性检验结果见表 4;各
试验因子水平指标的极差分析及显著性检验结果见
表 5。
表 3 木纤维 /聚丙烯发泡复合材料性能测试结果
Tab． 3 The physical and mechanical properties of Salix fiber /polypropylene foam composite
试验号 密度(g /cm3) 静曲强度(MPa) 2h吸水厚度膨胀率(%) 导热系数 W /(m·K)
1 0． 299 2． 14 8． 62 0． 124 5
2 0． 328 2． 43 6． 91 0． 170 2
3 0． 308 2． 75 6． 08 0． 115 3
4 0． 326 2． 18 7． 66 0． 110 7
5 0． 325 2． 60 6． 48 0． 106 3
6 0． 284 2． 44 8． 15 0． 132 6
7 0． 316 2． 26 5． 65 0． 156 7
8 0． 306 2． 41 4． 59 0． 149 3
9 0． 317 2． 39 5． 25 0． 146 5
10 0． 352 2． 63 4． 59 0． 171 8
11 0． 316 2． 02 4． 59 0． 140 7
12 0． 343 2． 53 5． 34 0． 132 6
13 0． 319 2． 42 3． 48 0． 117 2
14 0． 306 2． 60 3． 81 0． 152 3
15 0． 316 2． 27 4． 08 0． 147 7
16 0． 295 2． 26 3． 33 0． 146 8
平均值 0． 316 2． 396 5． 54 0． 138 8
从表 3 可知，设定密度为 0． 3 g /cm3，其实际平
均密度为 0． 316 g /cm3，静曲强度(MOR)平均值为
2． 396MPa，2h吸水厚度膨胀率为 5． 54%，均高于 JIS
A5905:2003 中对保温隔热墙板的要求。导热系数
均值为 0． 138 8W /(m·K) ，复合材料导热系数较
低，可以是 1 种较好保温材料，因为导热系数小于
0． 25(W /(moK) )的材料定义为保温材料，同时该
材料的导热系数相似与水曲柳导热系数。
表 4 工艺因子水平的方差分析及显著性检验
Tab． 4 The variance analysis and significance test of the process factors
性能 工艺因子 自由度 偏差平方和 平均偏差平方和 F值 显著性
导热系数
温度 3 0． 004 045 91 0． 001 348 64 46． 03 0． 000 1＊＊
时间 3 0． 013 660 38 0． 004 553 46 155． 42 0． 000 1＊＊
发泡剂含量 3 0． 000 275 49 0． 000 091 83 3． 13 0． 03＊＊
偶联剂含量 3 0． 001 715 49 0． 000 571 83 19． 52 0． 000 1＊＊
比例 3 0． 016 540 94 0． 005 513 65 188． 2 0． 000 1＊＊
误差 80 0． 002 343 8 0． 000 029 3
总计 95 0． 038 582
注:显著性 a = 0． 001 非常显著，用＊＊表示;a = 0． 05 显著，用 * 表示
332第 1 期 韩 望等: 沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料导热性能研究
2． 1 工艺因子对导热系数的影响
2． 1． 1 复合温度对复合材料导热系数的影响 表 4
表明，温度对沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料的导热
性能影响非常显著;表 5 可以看出，温度在 190℃时
导热系数最大;整体趋势为先增大后减小。170℃
时，聚丙烯刚开始熔融，熔融效果较差，流展性不高，
导致聚丙烯在沙柳纤维表面的铺展性差，沙柳纤维
与聚丙烯接触面积小，使得复合材料的热扩散作用
受到抑制，此时，导热系数较低，但同时材料强度明
显较低;200℃时，部分沙柳纤维出现炭化现象，X 射
线衍射表明，木材纤维素结晶部分锐减，使得材料结
晶度下降，从而增加晶格缺陷并降低晶格震动传热
效果，导致复合材料导热系数的下降现象［8］。
表 5 工艺因子水平指标的极差分析
Tab． 5 The maximum difference analysis under the process factors and levels
导热系数
水平值 温度 时间 偶联剂 发泡剂 比例
1 0． 517 55 0． 492 5 0． 542 45 0． 563 75 0． 591 45
2 0． 542 7 0． 623 75 0． 554 05 0． 577 5 0． 617 25
3 0． 588 8 0． 558 15 0． 560 35 0． 537 05 0． 495 4
4 0． 563 85 0． 538 5 0． 556 05 0． 534 6 0． 508 8
极差 R 0． 071 25 0． 131 25 0． 017 9 0． 042 9 0． 121 85
2． 1． 2 复合时间对复合材料导热系数的影响 表 4
表明，复合时间对导热系数的影响非常显著。表 5
表明，20min时的导热系数最大，整体趋势为先增大
后减小。原因可能是随时间延长，融熔聚丙烯的流
展更均匀，使木纤维 /聚丙烯发泡材料结合的更紧
密，粘结点增多，提高了复合材料的热扩散能力，导
热性能明显提高;25Min以后，可能发泡效果较理想，
泡孔的存在使得材料中空气体积增加，辐射传热量
增加而传导传热量减少，并且空气、沙柳纤维 /pp 材
料体积比的增大，明显减小热传导的速率，因此导热
系数出现下降趋势［8］。
2． 1． 3 偶联剂添加量对复合材料导热系数的影响
表 4 表明，偶联剂的加入对沙柳纤维 /聚丙烯发泡
复合材料导热系数的影响非常显著。表 5 表明，随
偶联剂的加入，可明显提高复合材料的导热系数，而
且随着偶联剂加量的增加，材料的导热系数呈现先
增大后减小的趋势。声子是木材热传导的运载者，
声子以声速 U 在木材中向前后左右作无规则运动，
在运动中互相碰撞而交换能量，硅烷偶联剂的加入
可使沙柳纤维和聚丙烯通过化学键结合起来，加强
了声子的传热作用［5 － 6］;偶联剂加量过大，容易形成
多分子层结构，使得复合材料导热形式可能出现三
相串联导热，因组成成分结构、性能不同，可能声子
传热效果出现相互拟制作用，反而对导热系数起了
一定的阻碍作用，降低了导热系数。表 5 还可看出，
添加量为 6%和 9%时，导热系数变化不大，考虑生
产成本时，我们应选择 6%的用量比较经济。
2． 1． 4 发泡剂加量对复合材料导热系数的影响
表 4 表明，发泡剂的加入对沙柳纤维 /聚丙烯发泡复
合材料导热系数的影响非常显著。表 5 可看出，随
着发泡剂加量的增加，材料的导热系数呈现先增大
后减小的趋势，3%时，导热系数最大。这可能是 3%
的用量，泡孔存在较少，泡孔存在使得沙柳纤维 /聚
丙烯之间的结合点增多，木塑之间结合紧密，声子热
扩散传热效果提高的幅度大于泡孔形成对导热系数
的降低，总的影响结果是导热系数增大;随发泡剂加
量增多，泡孔密度增加，发泡比较理想，泡孔对导热
系数的影响大于结合点的增多对导热系数的影响，
因此总的导热系数降低。
2． 1． 5 发泡剂间比例对复合材料导热系数的影响
表 4 表明，发泡剂间比例对沙柳纤维 /聚丙烯发泡
复合材料导热系数的影响非常显著。表 5 表明，随
发泡剂比例的变化，导热系数出现先增大后减小再
增大的变化，说明发泡剂比例对导热系数的影响机
理比较复杂。AC:NaHCO3 为 2:1 时，沙柳纤维 /聚
丙烯发泡复合材料导热系数最小。AC 为放热型发
432 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2011 年
泡剂，NaHCO3 为吸热型发泡剂，可能是当放热吸热
达到某种平衡时，发泡效果理想，泡孔存在形式合
理、数量较多，泡孔的存在使得导热系数明显下降;
AC比例过较低时，发泡复合材料泡孔出现较少，可
能因为 NaHCO3 吸热过量，导致泡孔破裂，泡孔数量
减少，导热系数增加;AC比例为 3:1 时，因吸热放热
不合理，闭合孔数量降低，开孔数量增多，闭合孔对
导热系数的拟制大于开孔对导热系数的影响，因此，
导热系数有所增加。
3 结论
3． 1 复合温度，复合时间，偶联剂加量，发泡剂加
量，发泡剂间比例对沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料
导热系数的影响均非常显著，影响大小依次是:复合
时间，发泡剂间比例，复合温度，发泡剂加量和偶联
剂加量;
3． 2 通过发泡工艺，可明显降低木塑复合材料的导
热系数;AC:NaHCO3 为 2:1 时，导热系数最低;添加
量为 6%时，比较合理;
3． 3 基本力学性能指标均符合 JIS A 5905:2003 保
温隔热墙板标准。导热系数均小于 0． 25(W /
(moK) ) ，可作为良好的保温隔热材料。
参 考 文 献:
［1］ 李侃社，王琪．聚合物复合材料导热性能研究〔J〕．高分
子材料科学与工程，2002，18(4) :10 － 14．
［2］ 张桂兰，王正．超低密度生物质纤维基复合材料性能的
研究〔J〕．林产工业，2008，35(1) :30 － 35．
［3］ 隋仲义，唐伟，王春明，等． 竹木复合材导热性能的研
究〔J〕．林产科技，2006，31(1)50 － 52 ．
［4］ 陈瑞英，林金国，杨庆贤． 木材弦向导热系数的理论表
达式〔J〕．林业科学，2005，41(4) :145 － 148．
［5］ 麦堪成，蔡泽伟． Al2O3 /聚丙烯复合材料的导热性能
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［6］ 胡亚才，范利武，俞自涛，等． 木材微结构对其传热特
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532第 1 期 韩 望等: 沙柳纤维 /聚丙烯发泡复合材料导热性能研究