聚苯硫醚(PPS)作為一種特種工程塑料，能滿足電子設備用塑料的基本性能需求，并且阻燃性能十分突出。

然而，電子設備運行中不斷聚積的熱量產(chǎn)生了致命的散熱問題，嚴重影響電子設備的穩(wěn)定性與使用壽命。制造電子設備的材料不僅應該具有良好的介電性能、力學性能和加工性能，而且應該具備良好的導熱性能。

圖源：艾邦拍攝

與大多數(shù)高分子材料一樣，PPS的導熱系數(shù)較低，室溫時只有0.23W／(m·K)，嚴重限制了其在電子設備領域的應用。因此，對PPS進行導熱改性具有十分重要的意義。

PPS在筆記本上的應用，圖源：艾邦拍攝

陶瓷材料和碳材料等填料在導熱聚苯硫醚復合材料中可以應用，本文綜述了如何通過雜化填料、填料取向和填料選擇性分布等方式構(gòu)建導熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

一.導熱填料

填充高導熱系數(shù)的填料能有效改善聚合物的導熱性能。當聚合物基體中的填料含量達到導熱逾滲值時，填料粒子相互接觸形成較為完整的導熱通路，復合材料的導熱系數(shù)大幅提升。

不同種類填料的導熱系數(shù)相差較大，并且極大地影響著復合材料的導熱性能，在導熱填料用量達到導熱逾滲值后，高導熱系數(shù)填料對提高復合材料的導熱性能更具優(yōu)勢。

但是當填料的導熱系數(shù)高于聚合物基體的100倍時，復合材料的導熱系數(shù)沒有更明顯的改善。常用于制備導熱PPS復合材料的填料有陶瓷材料和碳材料等。

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1.陶瓷材料

氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和六方氮化硼(h?BN)等陶瓷材料由于導熱系數(shù)大、電絕緣和成本低等優(yōu)點，被廣泛用于填充PPS樹脂，以改善復合材料的導熱性能。Al2O3具有較好的導熱性能，其中α型氧化鋁的導熱系數(shù)為30W／(m·K)，且價格低廉、來源廣泛，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

對于填充型導熱復合材料，填料與聚合物之間較差的相容性會導致聲子散射，增加界面熱阻，而界面熱阻往往是導熱改性效果有限的重要原因。

對填料表面進行改性，增強填料與聚合物的相容性，能有效改善復合材料的導熱性能，并且還能提高復合材料的力學性能。

利用偶聯(lián)劑來改善聚合物基體與填料的相容性時，不同的偶聯(lián)劑存在不同的合適用量。偶聯(lián)劑用量過多，多余的偶聯(lián)劑分子聚集在聚合物基體－填料界面，增加熱阻。偶聯(lián)劑用量不足，聚合物基體與填料的相容性不佳，界面缺陷也會增加熱阻。

與其他陶瓷材料相比，具有高導熱系數(shù)[＞300W／(mK)]和低介電常數(shù)(約為4)的h?BN是現(xiàn)階段制備導熱、電絕緣復合材料的理想填料之一，但是表面缺少活潑官能團的h?BN與聚合物基體的相容性極差，容易團聚，影響導熱通路的構(gòu)建。

2.碳材料

石墨、石墨烯、碳纖維(CF)和碳納米管(CNT)等碳材料，由于高導熱系數(shù)和低密度而被廣泛用于導熱改性。與陶瓷材料相比，碳材料可以在更低的填充量下實現(xiàn)復合材料的高導熱系數(shù)。

膨脹石墨(EG)是一種疏松多孔的蠕蟲狀石墨，EG與含有苯環(huán)或共軛雙鍵的聚合物之間的強π?π相互作用能降低界面熱阻，改善導熱性能。

石墨烯具有很高的導熱系數(shù)[約為800W／(mK)]，其以氧化石墨烯(GO)和石墨烯納米片(GNP)等多種形式存在。

圖源：艾邦拍攝

高導熱系數(shù)的碳材料的填充能有效改善PPS的導熱性能，但是其也是電的良導體。少量碳材料的添加就會影響復合材料的介電性能，使其不再適用于制備導熱電絕緣材料。

使用單一導熱填料制備導熱PPS，往往存在著填料用量大、填料容易團聚、與PPS基體的相容性差以及高填充引起體系的熔融加工黏度增大等問題，這些問題嚴重損害了PPS復合材料的力學和加工性能。

二.提高填充型導熱聚苯硫醚復合材料導熱系數(shù)的途徑

通過添加導熱填料提高PPS的導熱性能，必須讓導熱填料在PPS基體中形成導熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時因填料添加量較多，往往惡化改性PPS的力學和加工性能。

幾乎所有的改性研究都圍繞盡量用少的填料在聚合物基體中構(gòu)筑導熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，包括雜化填料、填料取向和填料選擇性分布等改性方法。

1.雜化填料填充

單一填料填充無法同時滿足復合材料的導熱和力學性能要求，采用不同填料復配填充，不僅可以發(fā)揮填料之間的協(xié)同作用，構(gòu)建較完善的導熱網(wǎng)絡，還可以降低總填充量，降低復合材料的熔融加工黏度，從而改善復合材料的力學和加工性能。

(1)不同尺寸的填料雜化

形狀相同、尺寸不同的填料雜化填充聚合物，能有效提高復合材料的導熱系數(shù)。如圖1所示，不同尺寸的填料復配時，小尺寸填料位于大尺寸填料的空隙中，填充大尺寸填料無法占據(jù)的空間，提高填料的堆積密度，這種緊密的堆疊能增加填料之間的接觸，形成更密集的導熱網(wǎng)絡。

(2)不同形狀的填料雜化

球形、片狀和纖維狀等不同形狀的填料雜化有兩大優(yōu)勢。一是提高復合材料的導熱系數(shù)，如圖2所示。球形填料中添加長徑比較大的片狀、纖維狀填料后，長徑比較大的填料能起連接球形填料的橋接作用，從而更容易形成三維導熱網(wǎng)絡。

二是能改善復合材料的加工流動性，根據(jù)門尼公式，相同填充量下，球形填料填充體系的黏度要明顯低于其他填料。

(3)不同類型的填料雜化

不同類型的填料雜化后填充，在改善復合材料導熱性能的同時，還能賦予其其它性能。

其中，導電的MWCNT／PPS被電絕緣的BN包圍，結(jié)果是導電網(wǎng)絡被BN中斷但導熱通路仍然完整。當BN和MWCNT的質(zhì)量分數(shù)分別為20％、1％時，BN＠MWCNT／PPS復合材料的面內(nèi)導熱系數(shù)約為1.1W／(m·K)，而電導率低于10－7S／cm。

2.填料取向

提高復合材料導熱系數(shù)的關鍵在于構(gòu)筑比較完整的導熱網(wǎng)絡，如果將復合材料中的一維和二維導熱填料沿軸向取向排列，那么取向方向就能構(gòu)建較好的導熱網(wǎng)絡，從而獲得取向方向的高導熱系數(shù)，如圖3所示。

目前有很多種方法可以實現(xiàn)填料的取向，如電場誘導法、磁場誘導法和機械力誘導法等。

其中，電場誘導法和磁場誘導法可以較好控制填料的取向方向，但是隨著填料含量增大，共混體系熔融加工黏度上升，填料容易團聚，從而影響填料取向以及復合材料的力學性能。

機械力誘導法是指填料在加工成型過程受剪切力、壓力或拉伸力而沿特定方向排列，這種方法容易在工業(yè)上應用。

當石墨的質(zhì)量分數(shù)為40％時，復合材料面內(nèi)的導熱系數(shù)為14.12W／(m·K)，而面外的只有1.41W／(m·K)，但彎曲強度由55.0MPa降至32.5MPa。這是因為石墨的高度取向造成了復合材料內(nèi)部的應力集中。

3.填料選擇性分布

在保證PPS復合材料導熱性能滿足使用需求的前提下，為了進一步減少導熱填料的含量，必須采取更為有效的措施。對于不相容的聚合物共混物，當導熱填料分布在“海－島”結(jié)構(gòu)的連續(xù)相或共連續(xù)結(jié)構(gòu)的特定相中時，如下圖4a和b所示，形成導熱網(wǎng)絡所需的填料用量要小于填料填充單一聚合物所需的用量。

比起填料選擇性分布在連續(xù)相中，填料分布在聚合物共混物的界面時，能更好實現(xiàn)低填充下的高導熱系數(shù)，如圖4c所示。

目前，研究和應用的PPS共混物主要有PPS／PA、PPS／PPO和PPS／PS等，其中研究較多的是PPS與PA共混體系。

PPS和PA的溶度參數(shù)分別為25.6(J／cm3)1／2和(25.9~27.8)(J／cm3)1／2，兩者十分接近，具有一定的相容性。對于填料分布在PPS／PA共混物的某一連續(xù)相中，已有部分研究。

對于填料分布在PPS／PA共混物的界面上，由于填料的分布受熱力學和動力學等因素的調(diào)控，平衡PPS和PA對填料的作用力使其分布在共混物的界面較為困難。

隨著5G通信技術(shù)的高速發(fā)展，對于高導熱材料的需求日益增加，填充型導熱PPS復合材料在滿足導熱性能要求的同時具備耐腐蝕、易成型和質(zhì)量輕的優(yōu)點，具有良好的應用前景。填充型導熱PPS復合材料的關鍵問題在于無法同時改善導熱性能、力學性能和加工性能。

針對這一問題的解決方法有很多種，包括填料雜化、填料取向和填料選擇性分布等方法。但是目前仍然存在許多不足，在低填充量下實現(xiàn)PPS基復合材料的高導熱系數(shù)方面仍有較大的研究發(fā)展空間。

綜合上述來看，尋找合理的填料復配并使其分布在聚合物共混物的某一相或者界面，以實現(xiàn)低填充量下構(gòu)建更有效的導熱網(wǎng)絡，將是未來熱塑性塑料導熱改性研究的主要方向。