CN102746560B - 一种导热塑料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种导热塑料及其制备方法，其中，所述导热塑料，按重量百分比计包括：基体树脂25~80%、导热填料5~40%、偶联剂5~10%、无卤阻燃剂5~30%。本发明的导热塑料，导热系数高、注塑成型方便、成本低廉，散热均匀，可避免灼热点，减少零件因高温造成的局部变形，重量轻，比铝材轻40-50%，成型加工方便，无需二次加工，产品设计自由度高。

Description

一种导热塑料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种导热塑料及其制备方法。

背景技术

传统的导热物质多为金属如Ag、Cu、Al和金属氧化物如Al₂O₃、MgO、BeO以及其他非金属材料如石墨、炭黑、Si₃N₄、AlN。随着工业生产和科学技术的发展，人们对导热材料提出了新的要求，希望材料具有优良的综合性能：例如在化工生产和废水处理中使用的热交换器既需要所用材料具有导热能力，又要求其耐化学腐蚀、耐高温；又如在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展，电子元件、逻辑电路的体积成千成万倍的缩小，则需要高导热性的材料，并且需要材料容易加工成型，纯的高分子材料虽然较易加工，但一般是不能作为导热材料的，因为高分子材料大多是热的不良导体，所以传统的导热物质的性能已无法满足在电气电子领域中封装集成材料的需求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种导热塑料及其制备方法，旨在解决现有导热材料导热系数不高、不易加工成型、成本高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种导热塑料，其特征在于，按重量百分比计，包括基体树脂25~80%、导热填料5~40%、偶联剂5~10%、无卤阻燃剂5~30%。

所述的导热塑料，其中，所述基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚碳酸树脂、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚亚苯基硫醚中的一种或几种组合物。

所述的导热塑料，其中，所述导热填料为金属、石墨、金属氧化物、金属氮化物、碳化物中的一种或几种组合物。

所述的导热塑料，其中，所述金属为Ag、Al、Fe或Cu。

所述的导热塑料，其中，所述金属氧化物为BeO、MgO、Al₂O₃、CaO或NiO。

所述的导热塑料，其中，所述金属氮化物为AlN或BN。

所述的导热塑料，其中，所述碳化物为SiC或BC。

所述的导热塑料，其中，所述无卤阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、氧化锑、硼酸锌、赤磷、磷酸酯、氮系阻燃剂、钼类化合物、锡类化合物、铁类化合物中的一种或几种组合物。

所述的导热塑料，其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸中的一种或几种组合物。

一种用于制备所述导热塑料的方法，其包括步骤：

S1、将导热填料与偶联剂混合进行耦合改性处理得到改性后的导热填料；

S2、将基体树脂、分散剂及无卤阻燃剂加热处理为熔融的溶液，将所述改性后的导热填料加入到熔融的溶液中进行均匀填充得到导热材料；

S3、使用造粒机对填充均匀的导热材料进行造粒成为单颗的导热塑料粒子；

S4、使用预定的模具将导热塑料粒子挤出成型，以注塑为预定形状的导热塑料。

有益效果：本发明导热塑料及其制备方法，其中的导热塑料，按重量百分比计包括：基体树脂25~80%、导热填料5~40%、偶联剂5~10%、无卤阻燃剂5~30%。本发明的导热塑料导热系数高、注塑成型方便、成本低且制备过程简单，可广泛应用于电子元件的封装、组装材料领域，应用于电子元件领域具有以下特点：避免灼热点，减少零件因高温造成的局部变形；重量轻，比铝材轻40-50%；成型加工方便，无需二次加工；产品设计自由度高。

具体实施方式

本发明提供一种导热塑料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的导热塑料，按重量百分比计，包括基体树脂25~80%、导热填料5~40%、偶联剂5~10%、无卤阻燃剂5~30%。

导热塑料的导热性能最终是由基体树脂和导热填料综合作用决定的，导热填料无论是以粒子还是以纤维形式，其自身的导热性都远大于基体树脂的导热性，当导热填料的填充量比较小时，彼此能均匀地分散在体系中，它们之间没有接触和相互作用，此时导热填料对于整个体系的导热性的贡献不大，但是当填充量达到一定程度时，导热填料之间开始有了相互作用，在体系中形成类似链状和网状的形态，这样可大大提高整个导热塑料的导热性能。

本发明中的基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚碳酸树脂、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚亚苯基硫醚中的一种或几种组合物，进一步，采用环氧树脂或接枝聚丙烯材料作为基体树脂，其制成的导热塑料物理性能较好，且导热系数较高。

本发明中的导热填料为金属、石墨、金属氧化物、金属氮化物、碳化物的一种或几种组合物。所述金属为Ag、Al、Fe或Cu。所述金属氧化物为BeO、MgO、Al₂O₃、CaO或NiO。所述金属氮化物为AlN或BN。所述碳化物为SiC或BC。

对于以石墨为导热填料，可通过对石墨进行预处理：即通过对石墨进行酸化处理得到高倍膨化的石墨蠕虫，然后经过压延、压制工艺处理，可使最后得到的导热塑料的导热系数高，此过程中应尽量使得石墨蠕虫灰粉含量低，膨胀倍数高，以提高导热系数。此外，还可在石墨中加入一些具有催化石墨化效应的金属离子，如Si、Ti、Zr、Cr等元素，这些元素的引入经试验证明也可大大提高了导热塑料的导热系数。

对于以三氧化二铝为导热填料，在加入三氧化二铝后，还加入铜、氧化锌、铝或石墨，可进一步提高导热塑料的导热系数。

此外，采用纳米三氧化二铝填充比用微米三氧化二铝填充的导热塑料具有更好的导热性能和物理力学性能，在纳米三氧化二铝与微米三氧化二铝的比例为1:2~2:1的条件下，纳米三氧化二铝与微米三氧化二铝混合填充的导热效果优于单纯使用微米三氧化二铝填充的导热塑料。

另外本发明还可添加聚乙二醇作为表面活性剂，提高导热填料和基体树脂的相容性，即提高了导热系数，又能降低成本。

本发明中，添加偶联剂主要是为了对导热填料进行表面处理，提高基体树脂和导热填料的相容性，从而提高基体树脂的导热性能并且不显著降低其力学性能，例如可采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸中的一种或几种组合物来对导热填料进行表面处理。

在本发明的导热塑料中还添加有无卤阻燃剂，无卤阻燃剂是针对含卤阻燃剂而言的，含卤阻燃剂是含有卤素元素的阻燃剂，其具有优良的阻燃性能，但这类阻燃剂燃烧时会产生大量的烟雾和有毒的腐蚀性卤化氢气体，造成二次危害。

本发明所用的无卤阻燃剂为氢氧化铝、氧化锑、硼酸锌、赤磷、磷酸酯、氮系阻燃剂、氮磷膨胀型阻燃剂、钼类化合物、锡类化合物、铁类化合物中的一种或几种组合物。

氢氧化铝本身具有阻燃、消烟、填充三个功能，因其不挥发、无毒，又可与多种物质产生协同阻燃作用，因而可作为无公害的无机阻燃剂，但是氢氧化铝又有添加量大的缺点，为克服这一缺点，可采用造粒技术对氢氧化铝进行处理，使粒度分布变窄，或者采用包裹技术，改善氢氧化铝的分散性。

氢氧化镁是一种低烟、无毒、能中和燃烧过程中的酸性、腐蚀性气体，故是一种环保型绿色阻燃剂，为减少氢氧化镁的添加量，一种办法是将氢氧化镁颗粒细微化，或者采用包覆技术对氢氧化镁表面进行改性，以提高其与聚合物的相容性。

经测试本发明的阻燃等级有多种：UL94-V0、UL94-V1、 UL94-V2、UL94-HB。

本发明还提供一种用于制备所述导热塑料的方法，其包括步骤：

S1、将导热填料与偶联剂混合进行耦合改性处理得到改性后的导热填料；

S2、将基体树脂、分散剂及无卤阻燃剂加热处理为熔融的溶液，将所述改性后的导热填料加入到熔融的溶液中进行均匀填充得到导热材料；

S3、使用造粒机对填充均匀的导热材料进行造粒成为单颗的导热塑料粒子；

S4、使用预定的模具将导热塑料粒子挤出成型，以注塑为预定形状的导热塑料。

其中S4步骤中的条件是：在220~280℃的条件下进行注塑，干燥温度在60~100℃的条件下，干燥时间在3~6小时范围内，此条件下的注塑效果稳定，效率高。

实施例1

导热塑料的组成为：按重量百分比计，环氧树脂65%、石墨5%、钛酸酯偶联剂10%、氢氧化铝20%，并采用上述方法制得所述导热塑料。

实施例2

导热塑料的组成为：按重量百分比计，包括聚丙烯65%、三氧化二铝15%、钛酸酯偶联剂5%、氢氧化铝15%，并采用上述方法制得所述导热塑料。

实施例3

导热塑料的组成为：按重量百分比计，包括环氧树脂70%、碳化硅20%、钛酸酯偶联剂5%、氢氧化铝5%，并采用上述方法制得所述导热塑料。

实施例4

导热塑料的组成为：按重量百分比计，包括聚丙烯25%、三氧化二铝40%、钛酸酯偶联剂5%、氢氧化铝30%，并采用上述方法制得所述导热塑料。

对上述实施例制得的导热塑料进行性能测试，结果如表一。

表一 性能测试表

性能	单位	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						绝缘击穿电压	Vac	>6000	>6000	>6000	>6000
介电常数	1000Hz	5.5	5.4	6.0	5.2
						体积电阻	Ohm-m	1011	1011	1011	1011
阻燃等级		UL94-V0	UL94-V0	UL94-V0	UL94-V0
						导热系数	W/m.k	1.5	2.2	1.8	2.0

从上述实施例以及更多的实施例中得出，本发明的导热塑料其性能为：绝缘击穿电压: >6000 Vac，导热系数: >1.5 W/m.k，防火等级:UL 94-V0、UL 94-V1、UL 94-V2、UL 94-HB，无卤。

本发明制备的导热塑料导热速度快，自元件一端发热，数秒钟即可将热量传递到另一端；热阻小，均温性好，可使元件的表面温度基本保持一致；传热能力大，与材料相容性好，与工程常用金属材料如钢、铜和铝等材料相容性好，不易产生不凝性气体，可有效延长元件使用寿命。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种导热塑料，其特征在于，按重量百分比计，其组成为环氧树脂65%、石墨5%、钛酸酯偶联剂10%、氢氧化铝20%；

通过对石墨进行酸化处理得到高倍膨化的石墨蠕虫，然后经过压延、压制工艺处理，还在石墨中加入具有催化石墨化效应的金属离子Cr。

2.一种用于制备如权利要求1所述导热塑料的方法，其包括步骤：

S1、将导热填料与偶联剂混合进行耦合改性处理得到改性后的导热填料；

S2、将基体树脂及无卤阻燃剂加热处理为熔融的溶液，将所述改性后的导热填料加入到熔融的溶液中进行均匀填充得到导热材料；

S3、使用造粒机对填充均匀的导热材料进行造粒成为单颗的导热塑料粒子；

S4、使用预定的模具将导热塑料粒子挤出成型，以注塑为预定形状的导热塑料；其中S4步骤中的条件是：在220~280℃的条件下进行注塑，干燥温度在60~100℃的条件下，干燥时间在3~6小时范围内；

所述导热塑料，按重量百分比计，其组成为基体树脂环氧树脂65%、导热填料石墨5%、偶联剂钛酸酯偶联剂10%、无卤阻燃剂氢氧化铝20%；

通过对石墨进行酸化处理得到高倍膨化的石墨蠕虫，然后经过压延、压制工艺处理，还在石墨中加入具有催化石墨化效应的金属离子Cr。