青岛科大鉴冉冉课题组 基于场协同扭转挤出技术-低成本连续化制备-定向导热橡胶纳米复合材料

　　鉴冉冉，青岛科技大学机电工程学院副教授，主要研究领域为高分子材料加工成型与智能制造。

　　定向导热纳米复合材料对于快速消散无功热量和确保高度集成电子设备的长期稳定运行十分重要。青岛科技大学鉴冉冉课题组为实现高分子材料高效混炼与热质管理提出了低碳节能的场协同塑化混炼与强化传热理论，并基于开发的场协同扭转挤出技术实现了定向导热EPDM/MWCNTs橡胶纳米复合材料的低成本连续化制备。优异的定向导热性能，归因于扭转挤出工艺独特扭转螺旋流动特性形成的MWCNTs定向导热网络。该工艺通过配备场协同扭转螺杆的冷喂料橡胶挤出机，诱导聚合物在挤出过程产生扭转螺旋流以促进MWCNTs在基体中有效解聚和均匀分散并有序排列，以简单的工艺、较低的成本进行导热复合材料的连续化制备，在制备定向高导热聚合物材料方面具有潜在的应用价值。

　　良好的混合分散、热分布和温度均匀性是影响聚合物基复合材料性能的关键，取决于螺杆结构对聚合物流型的有效控制。我们的研究表明，与普通螺杆相比（图1），场协同扭转螺杆表现出优异的混合性能（图2）、传热性能和温度均匀性（图3），这得益于其独特扭转结构对内部流场的热质调控，使流体速度场与速度梯度场和温度梯度场的协同性提高。

　　复合材料的定向导热性能源自场协同扭转螺杆在挤出过程中产生的扭转螺旋流动（图4），有效促进了填料在基体中的混合分散与取向排列。图5所示为所制备的EPDM/MWCNTs复合材料样品在三维空间维度的微观形貌，可知经由场协同扭转螺杆挤出的样品，多壁碳纳米管在橡胶基体中表现出均匀的分布，其中大多数都朝向特定的方向(图5a中箭头所示)。挤出样品的取向度分析最终表明（图5b和5c），经由扭转挤出后，断面（XY和XZ）取向度显著高于YZ面，MWCNTs沿X方向（即流动方向）取向；而经普通螺杆A挤出的测试样品中没有发现类似的现象，表现为无序、各向同性特征。

　　图6所示的EPDM/MWCNTs复合材料热导率分析表明，采用场协同扭转螺杆制备的样品，其X方向热导率显著高于Y、Z方向，同时其热导率也明显优于普通螺杆样品。显然，未添加多壁碳纳米管的样品热导率最低，并随着碳纳米管的加入而增加；由于混合增强，经螺杆挤出后热导率进一步提高。这些结果表明，加工技术和材料配方对于实现高性能产品同等重要。在相同配方下，场协同扭转螺杆比常规螺杆制备样品的热导率更好，其中扭转元件分散排列的螺杆C效果最优。值得注意的是，与含有更多填料的现有文献相比，扭转挤出工艺制备的复合材料表现出增强的导热性能（图6c），突出了我们加工技术的先进性。

　　图6. 螺杆C制备样品的各方向热导率(a)、不同条件下制备样品的X向热导率(b)、与现有研究比较(c)

　　表1总结了所制备EPDM/MWCNTs复合材料的机械性能，包括拉伸强度、断裂伸长率、100%和300%定伸应力、撕裂强度以及邵尔硬度。与普通螺杆相比，场协同扭转螺杆制备的样品展现出显著改善的综合机械性能，其中扭转元件分散排列的螺杆C效果最优。

　　在这项工作中，我们通过扭转挤出策略确定了多壁碳纳米管在EPDM橡胶基体中的取向结构及其对EPDM/MWCNTs复合材料导热性能和机械性能的影响。作为案例研究，对三种螺杆结构进行了设计和比较，增强的螺杆性能为卓越的产品特性做出了重大贡献。流线轨迹证明了扭转挤出过程中扭转螺旋流的存在，其改善了螺杆的混合和传热性能，也是MWCNTs填料取向形成和EPDM/MWCNTs复合材料导热系数各向异性的主要内因。扭转螺旋流有助于MWCNTs在挤出过程中有效解聚和均匀分散，并诱导它们沿流动方向有序排列。

　　螺杆结构高度影响颗粒的分散形态，从而影响复合材料的整体性能。本研究表明，由扭转元件分散排列的场协同扭转螺杆制备的EPDM/MWCNTs复合材料因其优异的均匀混合和定向分散而具有高导热性和力学性能。这些发现也适用于其他填料增强复合材料体系，以制造具有各向异性的理想材料。由于“双辊开炼-挤出”工艺在聚合物工业中很常见且应用广泛，因此可以低成本地大量制造定向取向复合材料及功能化制品。

　　Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月，CEST正式确认被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！