CN103038045B - 聚合物部件的组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件的部件的组件,其中两个组合物均含半结晶聚合物以及任选的一种或多种其他组分,第一部件和第二部件通过在第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面相互紧固,其中所述界面无机械互锁元件且第二聚合物组合物的热导率(TC2)以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于第一聚合物组合物的热导率(TC1)。本发明还涉及制造所述组件的方法以及所述组件的各种用途。
Description
本发明涉及包含含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件的部件的组件,两种聚合物组合物均含半结晶聚合物,第一部件和第二部件通过第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面相互紧固。本发明也涉及制造所述组件的方法以及含所述组件的各种产品。
包含通过界面相互紧固的含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件的聚合物部件的组件可通过各种方法制得,例如通过单独生产两个单独部件之后组合两部件,例如通过两部件的机械紧固或胶合;使用带两个平行注射单元的成型机,由熔体共注塑成型两材料,从而通过材料熔体的熔合形成接头(该方法通常用于夹层模塑中);或通过使用带两个串联注射单元的成型机利用二次注塑成型方法注塑成型两材料,其中两材料都被注射到能够从一种模具腔体结构重构为另一腔体结构的模具中,从而先在第一模具腔体结构中由第一个材料生产第一部件,然后将第一部件重新定位于第二模具腔体结构中并通过在第二模具腔体结构中包覆模塑第一部件来生产第二部件。在所述后一方法中,通常不得不采用特别措施来在部件间产生足够强大的连接,例如提供具有凸出元件的第一部件以在第一部件和第二部件间产生机械互锁和/或预热第一部件和/或充分加热第二材料的熔体以在注射第二材料时促使第一部件的熔融,导致两材料之间的熔融熔合连接。对含半结晶聚合物的两种聚合物组合物,所述熔合连接的实现非常关键并且需要更极端的加工条件,而机械互锁的产生在模具结构和部件脱模上具有严重问题。
所述组件从例如US 5114791中可知,其中公开了二组分注塑成型的制品,所述制品包含在其界面处接合的两种聚合物组分。所述制品用于前大灯的反射器中,以及用作技术装备制品的壳体。在US 5114791中生产的制品为芯-壳结构,其中至少一个部件包含聚亚芳基硫醚。根据US5114791,制品表现出很小的构件之间分裂的趋势,基本不受快速变化的温度影响且未表现出剥离的迹象。
然而,本发明人发现,在已知的组件中聚合物部件之间的界面往往强度不足,特别是当在两部件中的聚合物组合物都包含半结晶聚合物时,所述部件相当容易彼此脱离并且部件间发生粘接失效。对于遭遇高剥离力的应用,甚至对于其中部件不易脱离的组件,也发现其界面能或粘合能仍得改进。
在US2001/022303中也提到这个问题,该专利申请描述了用于瓶子的多层层叠中空成型预制品。这些预制品由半结晶聚酯或半结晶聚酰胺等制成。在这样的多层层叠预制品情况下,问题涉及壁层的分离,换而言之剥离。由US2001/002230提供的对该问题的解决方案为,先提供一单层坯(通常为中空成型体),在其表面(不论在其内和/或外表面)有至少一个突起区域;加热坯的所述表面,以使突起熔化或塑化;施加塑化的或液体的塑料层于坯表面并至少在突起和层的相邻表面之间形成点状或区状焊接位置以生产预制品;以及冷却预制品并固化焊接位置。在一个特别优选的实施方式中,突起具有鳞片状结构。突起的效果是不同层的机械互锁。
带有机械互锁突起(其从部件的将用第二材料包覆模塑的表面突出以机械互锁所产生的第二部件)的部件需要复杂模具设计以及具有以相对于部件表面以非法向方向移动的不同滑块的模具。为了制造在其内表面和/或外表面具有至少一个突起区域的中空型体也需要非常复杂的模具和复杂的脱模工艺。此外,US2001/022303的需要中间加热步骤的方法非常复杂。根据US2001/022303,在第一模具中制成坯,并在第二模具中施加塑化的或液体的塑料层到坯的表面。其间,坯的表面例如可通过气体火焰、微波、高频或红外辐射的方式或通过插入坯中的感应线圈加热。所述方法不太适合于工业规模的生产。
因此,本发明的目标可以是提供聚合物部件相互紧固的组件,其中所述界面无整体模塑的机械互锁元件且其中聚合物部件间的粘附性至少与已知制品相同。本发明的另一目标也可以是提供聚合物部件相互紧固的组件,其中聚合物部件间的粘附性被改善超过相应的已知制品。
本发明提供包含含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件的多个部件的组件,其中第一聚合物组合物包含半结晶聚合物(简称为“第一聚合物”)和任选的一种或多种其他组分,第二聚合物组合物包含半结晶聚合物(简称为“第二聚合物”)和任选的一种或多种其他组分,所述第一部件和所述第二部件通过所述第一聚合物组合物和所述第二聚合物组合物之间的界面相互紧固,其中所述界面无整体模塑的机械互锁元件,并且其中所述第一聚合物组合物的热导率称为TC1,且所述第二聚合物组合物的热导率称为TC2,其中TC2以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于TC1。
本文中的聚合物组合物可理解为含聚合物和一种或多种另外组分(例如辅助添加剂、增强纤维和/或填料)的组合物。
“整体模塑的机械互锁元件”在本文中可理解为在模塑部件上的突起、底切、孔和任何其他元件,其所具有的形状使得当与所述部件整体模塑时,不能在带形成空腔的两个半模的模具中模塑,且不能在不破坏部件或机械互锁元件情况下通过取走其中一个半模简单地打开两个半模来脱模,但需要其中通过多个模具元件形成空腔的模具并且脱模需要移开几个模具元件。
业已发现在根据本发明的方法制成的本发明的所述组件中,第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面的强度至少与相应的不含导热组合物或只含相对较低热导率的组合物的已知制品的界面粘结强度相同,其中第二聚合物组合物被注塑于第一部件上以在第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间产生界面,两个聚合物组合物均包含半结晶聚合物,且第二聚合物组合物的热导率较高,为至少1.5倍。
根据本发明,在部件组件中的第一部件和第二部件通过在第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面相互紧固。本文中的紧固可理解为所述界面具有足够的界面粘结能以适当固定部件,而不需要另外的紧固手段例如胶、螺栓、铆钉、模制于其中的机械互锁元件及其类似物。具体地,业已发现形成本发明的部件的组件的部件的界面粘结能足够高,以防止部件剥离,即使在高剥离力下。
更具体地,在大多数情况下界面粘结能如此高而不能测量界面粘结能,因为在剥离测试中,一个部件的内部发生失效,而不是在部件界面处分离。换句话说,组件失效是由于其中一个部件的内聚破坏,而非界面处的粘接破坏,说明界面粘结能高于任一一种或甚至两种聚合物组合物的内聚能。
因此,在根据本发明的组件的一个具体实施方式中,第一部件和第二部件通过界面彼此紧固,所述界面的界面粘结能比第一聚合物组合物的内聚能或第二聚合物组合物或两者的内聚能都高。
值得注意的是,如本文中下面进一步描述的,通过所谓的双悬臂梁(DCB)测试来分别测量界面粘结能以及内聚能。
在那些其中一个部件内发生内聚破坏而非部件间粘接破坏的情况下,没有测量所述界面粘结本身,而是隐含地认为所述界面粘结高于表现出内聚破坏的聚合物组合物的内聚能,这引申为没有排除其粘结能也可比另一聚合物组合物的内聚物高的可能性。
本发明也涉及制造包含含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件的多个部件的组件的方法,其中第一聚合物组合物包含半结晶聚合物(简称为“第一聚合物”)和任选的一种或多种其他组分,第二聚合物组合物包含半结晶聚合物(简称为“第二聚合物”)和任选的一种或多种其他组分,第一部件和第二部件通过第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面相互紧固。通过多组分注塑成型、优选地通过双组分注塑成型来实施所述方法,其中先注塑成型含第一聚合物组合物的部件,再在第一部件上注塑成型含第二聚合物组合物的第二部件,以在第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间产生界面,并且其中第二聚合物组合物的热导率(TC2)以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于所述第一聚合物组合物的热导率(TC1)。
业已发现在通过本发明的方法能得到的部件的组件中界面粘结能比在相应已知制品中常发现的界面粘结能高,所述已知制品基于含半结晶聚合物而不含导热组合物或只含相当和/或低的热导率的组合物的聚合物组合物。
双组分注塑成型设备和使用其的方法是本领域已知的。在US7618577、WO02057064、WO07113305、WO08043540、WO08092635以及WO1998038021中可找到实例,这些出版物通过引用全文包括于本文中。
用于根据本发明的组件以及方法中的聚合物组合物包含两种(半)结晶聚合物。所述(半)结晶聚合物通常具有被称为熔融温度、结晶温度和玻璃化转变温度的物理性质。
通过DSC采用第一加热周期、冷却周期和第二加热周期测量本文中提到的物理性质玻璃化温度(Tg)、熔融温度(Tm)和结晶温度(Tcr),其中在第一加热周期中测量Tg,在冷却周期中测量Tcr,在第二加热周期中测量Tm。对于熔融温度在240℃以下的聚合物,加热周期从0℃到280℃,熔融温度在240℃和310℃间的聚合物从0℃到340℃,并且熔融温度在310或更高的聚合物从0℃到380℃。
本文中的术语玻璃化温度(Tg)可理解为如下的温度:根据ASTM E1356-91通过DSC采用加热速度10℃/分钟来测量,并确定为相应于父热曲线的拐点的第一加热周期的父热曲线一阶导数(相对于时间)的峰处的温度。本文中的术语结晶温度(Tcr)可理解为如下的温度:根据ASTMD3418-97通过DSC采用冷却速度10℃/分钟来测量、落入熔融范围内并表现出最高的结晶吸热的温度。本文中的术语熔融温度(Tm)可理解为如下的温度:根据ASTM D3418-97通过DSC在第二加热周期期间采用加热速度10℃/分钟测量、落入熔融范围内并表现出最高的熔融速率的温度。
在根据本发明的方法中,在注塑成型步骤中使用的温度优选地在所述(半)结晶聚合物的熔融温度(Tm)以下实施。聚合物组合物的注射温度优选地在Tm和Tm+70℃之间,其中所述Tm为包含于相应聚合物组合物的聚合物的熔融温度,更优选地所述注射温度在Tm+10℃和Tm+50℃之间(即在Tm以上10-50℃)、最优选地在Tm+20℃和Tm+40℃之间(即在Tm以上20-40℃)。
在本发明的方法的一个实施方式中,所述方法包括以下步骤:
(i)以高于第一聚合物的熔融温度(Tm1)的注射温度注塑成型第一聚合物组合物(即TC较低的聚合物组合物),以形成包含其的第一部件;
(ii)冷却所述第一部件,从而使第一聚合物组合物达到低于第一聚合物的结晶温度(Tcr1)的表面温度(Ts1);以及
(iii)随后,在第一部件上以高于第二聚合物的熔融温度(Tm2)的温度注塑成型所述第二聚合物组合物(即热导率(TC2)较高的聚合物组合物),以形成第二部件且同时在第二聚合物组合物和第一聚合物组合物之间形成界面。
发现对于通过该实施方式的方法得到的本发明的制品,实现了较高的界面粘结能。
优选地,允许在上面描述的方法的步骤(ii)中冷却第一部件,从而使第一聚合物组合物达到显著低于其结晶温度Tcr1的表面温度(Ts1)。当在Tcr1-60℃和Tcr1-200℃之间(即Tcr1以下60-200℃)、更优选地在Tcr1-100℃和Tcr1-180℃之间(即Tcr1以下100-180℃)的温度Ts1下冷却第一部件时,在界面粘结能方面得到好的结果。这样的表面温度通过如下获得:在模具中模具温度被设为Ts1,并且聚合物组合物在模具中保留短的时间,例如至少15秒或甚至更好至少30秒。
当第二聚合物的熔融温度(Tm2)比第一聚合物的熔融温度(Tm1)高时,在界面粘结能方面得到较好的结果。优选地,第二聚合物的熔融温度为至少Tm1+20℃、更优选Tm1+40℃以及还要更优选Tm1+60℃。
当在上面描述的方法的步骤(iii)中在第一聚合物组合物上注塑成型第二聚合物组合物期间满足如下根据式1的条件且当至少第一聚合物、更优选第一和第二聚合物均为(半)结晶聚合物时,在界面粘结能方面得到最好的结果:
其中A=(TC2/TC1)0.5;即A为等于比例TC1/TC2的平方根的数;TC1和TC2分别为第一和第二聚合物组合物的热导率;Ts1为第一聚合物组合物在注塑成型第二聚合物组合物时的温度;Tim2为第二聚合物组合物的注塑成型温度;并且Tm1为第一聚合物组合物的熔融温度。
在另一实施方式中,本发明涉及能通过本发明的方法得到的部件的组件,所述部件的组件包含含第一聚合物组合物的第一部件和含第二聚合物组合物的第二部件,第一部件和第二部件通过在第一聚合物组合物和第二聚合物组合物之间的界面相互紧固,其中第二聚合物组合物的热导率(TC2)以至少TC2/TC1=1.5的倍数高于第一聚合物组合物的热导率(TC1)。特别地,业已发现根据该实施方式的部件的组件可具有此前从未达到的界面粘结能。
根据本发明,TC2高于TC1,优选地,倍数TC2/TC1为至少2、更优选至少3、甚至更优地至少4以及最优选地至少6。
优选地,TC1为至多3W/m.K、更优选至多2W/m.K、还更优地至多1.25W/m.K、甚至更优地至多1W/m.K、以及最优选地至多0.5W/m.K。适宜地,TC1为至少0.1W/m.K、更优选至少0.2W/m.K、更优选至少0.3W/m.K。最优选地,TC1在0.3和1.25W/m.K之间。
优选地,TC2为至少3W/m.K、更优选至少5W/m.K以及甚至更优地至少10W/m.K以及最优选地至少20W/m.K。TC2可高达40W/m.K或甚至更高,但TC2在10-30W/m.K的范围内已经得到非常好的结果。
本文中的术语聚合物组合物的热导率(TC)被理解为在平面传导率最大方向上的面内热导率。所述传导率也被称为平行或纵向热导率。聚合物组合物的TC可在聚合物组合物的样品上测量,所述样品具有如下尺寸80×80×2mm且通过使用配备了具有适当尺寸的方形模具和位于方形一侧的80mm宽且1mm高的膜状浇口的注塑机的注塑成型来制备。在2mm厚的注塑成型的样品中,测定了面内和平行于充模时聚合物流动方向的热扩散系数(D∥)、密度(ρ)以及热容(Cp)。
面内和平行于充模时聚合物流动方向的热扩散系数(D∥)根据ASTM方法E1461-01使用Netzsch LFA 447激光闪光仪来测定。通过首先从注塑成型的样品切割多个约1mm宽的宽度相同的小条或棒来测定D∥。棒的长度充模时的聚合物流动方向上。几个这样的棒被堆叠在一起,切割面朝外且非常紧密地夹紧在一起。从堆叠的由一系列切割面形成的一个侧面到堆叠的具有切割面的另一侧面,测定穿过堆叠的热扩散系数。
通过与具有已知热容的参考样品(Pyroceram9606)进行比较,使用相同的Netzsch LFA 447激光闪光仪并采用W.Nunes dos Santos,P.Mummery和A.Wallwork,Polymer Testing 14(2005),628-634描述的方法来测定样品的热容(Cp)。
由D//、密度(ρ)以及热容(Cp),根据式2来测定成型板的热导率:
TC=D∥*ρ*Cp (式2)。
本文中上面提到的任何TC的所有值都在20℃下测定,并以W/m.K表示。值得注意的是,热导率的单位的符号(W/m.K)的另一种表示为Wm-1K-1。
优选地,本发明的组件的界面粘结能(即,第二聚合物组合物和第一聚合物组合物之间的界面粘结能)为至少100J/m2、更优选至少200J/m2、最优选至少300J/m2。所述界面粘结能可通过选择适当的如下文详述的工艺条件或通过增加第二和第一聚合物组合物之间的界面的面积(本文中称为界面面积)而提高。
值得注意的是如本文下面进一步描述的,通过所谓的双悬臂梁(DCB)测试分别测量界面粘结能和内聚能。
在那些其中一个部件内发生内聚破坏而非部件之间粘接破坏的情况下,没有测量所述界面粘结本身,而是隐含地认为所述界面粘结高于根据所述内聚破坏所测量的内聚能。
优选地,界面面积为至少10mm2、更优选至少100mm2、更优选至少1000mm2。通过在第一聚合物组合物的表面区域处与第二聚合物组合物的界面创建几何的或其他类型的突起图案,来增加界面面积。
技术人员为了达到其之间热导率上规定的差异知道如何选择聚合物组合物的组合。
适合使用于本发明的第一和第二聚合物的实例包括可与一种或多种另外组分(例如辅助添加剂、增强纤维和/或填料)组合的热塑性半结晶聚合物,附加条件是所述与第一和第二聚合物组合的另外组分被选择来满足热导率的要求。
能够用于第一和/或第二聚合物的热塑性半结晶聚合物包括只要是半结晶和可熔融加工的如下那些:聚酯、共聚醚酯弹性体、共聚酯酯弹性体、聚酰胺、共聚醚酰胺弹性体、聚苯硫醚、聚苯醚、聚砜、聚芳酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚醚酰亚胺、以及其混合物和共聚物。
在本发明的一个优选的实施方式中,第一和/或第二聚合物为半结晶聚酰胺。合适的聚酰胺为本领域技术人员已知的所有聚酰胺,包括可熔融加工的半结晶聚酰胺。根据本发明的合适的聚酰胺的实例为脂族聚酰胺,例如PA-6、PA-11、PA-12、PA-4,6、PA-4,8、PA-4,10、PA-4,12、PA-6,6、PA-6,9、PA-6,10、PA-6,12、PA-10,10、PA-12,12、PA-6/6,6-共聚酰胺、PA-6/12-共聚酰胺、PA-6/11-共聚酰胺、PA-6,6/11-共聚酰胺、PA-6,6/12-共聚酰胺、PA-6/6,10-共聚酰胺、PA-6,6/6,10-共聚酰胺、PA-4,6/6-共聚酰胺、PA-6/6,6/6,10-三元共聚酰胺以及由1,4-环己烷二羧酸与2,2,4-和2,4,4-三甲基六亚甲基二胺得到的共聚酰胺;芳族聚酰胺,例如PA-6,I、PA-6,I/6,6-共聚酰胺、PA-6,T、PA-6,T/6-共聚酰胺、PA-6,T/6,6-共聚酰胺、PA-6,I/6,T-共聚酰胺、PA-6,6/6,T/6,I-共聚酰胺、PA-6,T/2-MPMDT-共聚酰胺(2-MPMDT=2-甲基五亚甲基二胺)、PA-9,T、由对苯二甲酸、2,2,4-和2,4,4-三甲基六亚甲基二胺得到的共聚酰胺、由间苯二甲酸、氮杂环十三烷-2-酮以及3,5-二甲基-4,4-二胺-二环己基甲烷得到的共聚酰胺、由间苯二甲酸、壬二酸和/或癸二酸和4,4-二胺基二环己基甲烷得到的共聚酰胺、由己内酰胺、间苯二甲酸和/或对苯二甲酸和4,4-二胺基二环己基甲烷得到的共聚酰胺、由己内酰胺、间苯二甲酸和/或对苯二甲酸和异佛尔酮二胺得到的共聚酰胺、由间苯二甲酸和/或对苯二甲酸和/或其他芳族或脂族二羧酸、可选烷基取代的六亚甲基二胺和烷基取代的4,4-二胺基二环己胺得到的共聚酰胺,以及还有上述聚酰胺的共聚酰和混合物。
更优选地,第一和第二聚合物都为半结晶聚酰胺。
还更优选地,第一聚合物为熔点在至少200℃、更优选至少220℃的半结晶聚酰胺。优选地,第二聚合物为熔点在至少240℃或甚至至少260℃以及最优选至少280℃的半结晶聚酰胺。
优选地,半结晶聚酰胺选自包含PA-6、PA-6,6、PA-6,10、PA-4,6、PA-11、PA-12、PA-12,12、PA-6,I、PA-6,T、PA-6,T/6,6-共聚酰胺、PA-6,T/6-共聚酰胺、PA-6/6,6-共聚酰胺、PA-6,6/6,T/6,I-共聚酰胺、PA-6,T/2-MPMDT-共聚酰胺、PA-9,T、PA-4,6/6-共聚酰胺以及上述聚酰胺的混合物和共聚酰胺的组。更优选地,选择PA-6,I、PA-6,T、PA-6,6、PA-6,6/6,T、PA-6,6/6,T/6,I-共聚酰胺、PA-6,T/2-MPMDT-共聚酰胺、PA-9,T、PA-4,6或其混合物或共聚酰胺作为聚酰胺。还更优选地,半结晶聚酰胺包含PA-4,6。
适用于本发明的第一聚合物的特别优选的实例包括PA-6、PA-6,6、PA-4,6、PA-6,6/4,T、及其混合物和共聚物。更优选地,第一聚合物选自由PA-6、PA-6,6、PA-4,6、及其混合物和共聚物组成的组、更优选地由PA6、PA66、及其混合物和共聚物组成的组。业已发现,当根据本发明使用这样的第一聚合物时,部件的组件具有改善的粘结性能。
适用于本发明的第二聚合物的特别优选的实例包括PA-6、PA-6,6、PA-4,6、PA-6,6/6,T、PA-9,T、PA46/4T、或其混合物或共聚酰胺。优选地,第二聚合物选自由PA-6、PA-6,6、PA-4,6、PA-4,6/4,T或其混合物和共聚酰胺组成的组。更优选地,第二聚合物选自由PA-6、PA-4,6、PA-4,6/4,T、其混合物和共聚酰胺组成的组。业已发现,当根据本发明使用这样的第二聚合物时,部件的组件具有改善的粘结性能。
如上所述用作第二组合物的导热性聚合物组合物的TC2为至少3W/m.K、更优选至少5W/m.K且还更优选至少10W/m.K。
通过将导热性填料分散于聚合物形成组合物,可以容易地得到所述聚合物组合物,所述填料具有足够高的浓度,以提供具有导热性(即热传导性能)的聚合物组合物。适合地,导热性填料的固有热导率是其被分散于其中的聚合物的固有热导率的至少25倍、更优选至少100倍、最优选至少300倍。许多热塑性聚合物的固有热导率约为0.3W/m.K或甚至更低。
包括于导热性聚合物组合物的导热性填料可以是能够分散于聚合物中并改进聚合物热导率的任何材料。导热性填料优选地选自由铝、氧化铝、铜、镁、黄铜、碳、氮化硅、氮化铝、氮化硼、石墨、陶瓷纤维以及其混合物组成的组。导热性填料的形式可以是粒状粉末、颗粒、晶须、短纤维或任何其他合适的形式。颗粒能够具有各种结构。例如颗粒可以为片状、板状、米粒状、条、六角形或球形等形状。本文中的填料可理解为由纵横比优选小于10∶1的颗粒组成的材料。适宜地,填料的纵横比l/d约为5∶1或更小。例如,能够使用纵横比约为4∶1的氮化硼颗粒。颗粒也可以是纤维或小片,本文中的纤维理解为由纵横比至少10∶1的颗粒组成的材料。更优选地,导热性填料由纵横比至少15∶1、更优选至少25∶1的纤维组成。本文中的小片理解为由径厚比d/t优选至少10∶1、更优选d/t至少25∶1的颗粒组成的材料。在纵横比l/d中,l为长度,即颗粒的最大尺寸,而d为颗粒的直径。类似地,在径厚比d/t中,t为厚度,即颗粒的最小尺寸,而d为颗粒的最大直径。
在一个优选的实施方式中,包含于导热性聚合物组合物的导热性填料为导热性纤维的形式。优选地,所述导热性纤维包含金属纤维和/或碳纤维。合适的碳纤维(也称为石墨纤维)为沥青基碳纤维。例如,可以使用纵横比约50∶1的沥青基碳纤维。沥青基碳纤维对热导率有显著贡献。
在另一优选的实施方式中,包含于导热性聚合物组合物的导热性填料为颗粒和纤维的结合。所述填料的实施描述于McCullough,U.S.专利6251978和6048919,其公开的内容在此通过引用引入。
在本发明的另一个优选的实施方式中,导热性填料包含氮化硼。在聚合物组合物中作为导热性填料的氮化硼的优点是,其在保留良好的电绝缘性能的同时赋予了高的热导率。
在本发明的另一个优选的实施方式中,导热性填料包含石墨、更具体地膨胀石墨。在聚合物组合物中作为传热性填料的膨胀石墨的优点是,其在已经非常低的重量百分比下赋予高的热导率。
在导热性聚合物组合物中的导热性填料的优选浓度为聚合物组合物总重量的至少5重量百分比(wt.%)、更优选至少10wt.%、最优选至少15wt.%。为了得到还具有良好机械性能的导热性聚合物组合物,在聚合物组合物中所述填料的浓度为优选至多75wt%、更优选至多60wt%、最优选至多45wt%。在一个优选的实施方式中,氮化硼以15-60wt.%、更优选20-45wt.%范围内的量用作导热性填料。在另一个优选的实施方式中,碳沥青纤维以15-60wt.%、更优选20-60wt.%范围内的量用作导热性填料。在另一个优选的实施方式中,膨胀石墨以10-45wt.%、更优选15-30wt.%范围内的量用作导热性填料。值得注意的是,本文中提到的wt.%都相对于聚合物组合物的总重量。
在一个最优选的实施方式中,第二聚合物组合物包含氮化硼和石墨(更具体地膨胀石墨)的组合。优选地,氮化硼和石墨以10-60wt.%的组合量存在,每种以5-30wt.%范围内的量存在。
在本发明的一个优选的实施方式中,用于第二部件的导热性聚合物组合物由以下组成:
a)30-90wt.%的热塑性半结晶聚合物,
b)10-70wt.%的导热性材料
c)0-60wt.%的其他添加剂
其中(a)、(b)和(c)的wt.%相对于聚合物组合物的总重量,并且(a)、(b)和(c)的总和为100wt.%。
在本发明的一个更优选的实施方式中,导热性聚合物组合物由以下组成:
a)30-90wt.%的半结晶热塑性聚合物,
b)10-70wt.%的导热性材料,其至少50wt.%由氮化硼或石墨或其组合组成,
c)(i)0-40wt.%的不同于组分(b)的增强纤维和填料,以及
(ii)0-20wt.%的其他添加剂,
其中(a)、(b)、(c)(i)和(c)(ii)的wt.%相对于聚合物组合物的总重量,并且(a)、(b)、(c)(i)和(c)(ii)的总和为100wt.%。
在本发明的一个甚至更优选的实施方式中,导热性聚合物组合物由以下组成:
a)30-90wt.%的熔点至少200℃的半结晶聚酰胺,
b)10-70wt.%的导热性材料,其至少50wt.%由氮化硼或石墨或其组合组成,
c)(i)0-40wt.%的不同于组分(b)的增强纤维和填料,以及
(ii)0-20wt.%的其他添加剂,
其中(a)、(b)、(c)(i)和(c)(ii)的wt.%相对于聚合物组合物的总重量,并且(a)、(b)、(c)(i)和(c)(ii)的总和为100wt.%。
值得注意的是,在一些优选的实施方式中,导热性材料的最小量由聚合物组合物的所需最小热导率、其中使用的导热性材料的类型或其组合来决定。
本发明的组件可运用于各种应用,例如齿轮、灯壳体、电动工具、手工具、汽车零部件等。
本发明还涉及灯组件以及更具体地包含本发明的组件的灯插座或灯壳体。优选地,包含于本发明的灯组件的第一聚合物组合物选自由半结晶聚酰胺组成的组。优选地,包含于本发明的灯组件的第二聚合物组合物为上文详述的导热性聚合物组合物。更优选地,所述导热性聚合物组合物包含选自由聚酰胺组成的组的聚合物和选自由石墨和/或陶瓷填料(例如氮化硼)组成的组的导热性填料。最优选地,根据本发明的方法制造灯构件。
借助下面的实施例和对比实验来说明本发明,然而本发明并不限于此。
方法
界面粘结能
如下进一步描述的用双悬臂梁(DCB)设置在测试试样上测量两个聚合物部件间的界面粘结能。界面粘结能测量的测试在Zwick 1455机器上进行,其装配了2kN载荷传感器、10kN手动夹具以及用于控制和分析的Zwick软件TesTxpertII。在23℃和50%R.H.下以100mm/min的测试速度利用试验台位移进行测试。在样品的处于悬臂梁一端的上表面和下表面完全重叠的位置上,彼此严格相对地安装两个相同的负载金属舌片。用商业环氧树脂胶将舌片粘在样品上。通过如下使得两个聚合物部件在对应于舌片的表面的表面上脱离:切开其间的界面来产生梁的劈开端,脱离区域处于舌片下方。通过沿相反方向拉两个舌片,通过舌片向样品施加负载。通过在梁的两端施加拉力,两个聚合物组件将剥离。在测试中,所施加的力连同梁末端的位移都被测量。
每个材料组合进行3次测试。测得的剥离能的值作平均。剥离与否是因为界面粘接破坏或其中一个部件内部内聚破坏被分别指出。
测试样品的制备
待测样品为具有公知的双悬臂梁(DCB)的形状的2-K模制部件,其由两个长(L)×宽(W)×厚(T)为120*25*2的相同尺寸的聚合物部件组成,部件在其宽度上以及沿其长度相互紧固。所述样品具有上表面和下表面,这两个表面间的距离垂直于其间的界面并等于一个聚合物部件厚度的两倍。样品通过2组分注塑成型使用标准模塑条件来制备,包括首先注塑成型第一个材料从而形成第一部件,随后用构成第二部件的第二材料包覆模塑第一个部件。在表1中给出了第一个材料的注塑成型温度(Tim1)和第二个材料的注塑成型温度(Tim2)以及模具温度,注塑成型第二材料时第一材料的表面温度(Ts1)的示例、第一材料和第二个材料的热导率和它们之间的比例以及粘结能方面的结果。
实施例和对比实验
对实施例和对比实验,使用不同的材料组合,其选自下列材料。
材料
C-1未增强级的PA46,TC=0.3W/m.K
C-2玻璃纤维增强级,PA46基,石墨填充,TC=15W/m.K
C-3未填充级PA6,TC=0.3W/m.K
C-4未增强级的PA6,石墨填充,TC=15W/m.K
C-5未增强的阻燃剂级,PA46基,氮化硼填充,TC=1W/m.K
C-6未增强级的PA46,石墨填充,TC=15W/m.K
C-7未增强级,基于PA46/PA6共混物,TC=0.3W/m.K
表1.代表注塑测试的实施例和对比实验总览,其包含不同材料的组合、它们的热导率、模塑温度以及所得粘结能。
a)过低无法精确测量
b)内聚破坏时,认为报道的数值代表内聚能而非界面粘结能,隐含地认为后者比所测值高。
根据本发明的实施例都表现出在其中一个部件中内聚破坏,因此证明界面粘结能比至少一个部件的内聚能高。对比实验表现出两部件间粘接破坏以及非常低的分离能或剥离能,因此证明每个部件的界面粘结能都比内聚能低。
Claims (18)
1.包含含第一聚酰胺组合物的第一部件和含第二聚酰胺组合物的第二部件的部件的组件,其中所述第一聚酰胺组合物包含称为“第一聚酰胺”的半结晶聚酰胺和任选的一种或多种其他组分,所述第二聚酰胺组合物包含称为“第二聚酰胺”的半结晶聚酰胺和任选的一种或多种其他组分,所述第一部件和所述第二部件通过所述第一聚酰胺组合物和所述第二聚酰胺组合物之间的界面相互紧固,其中所述界面无机械互锁元件,并且其中所述第一聚酰胺组合物的热导率称为TC1,且所述第二聚酰胺组合物的热导率称为TC2,其中TC2以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于TC1,所述其他组分为辅助添加剂、增强纤维和/或填料。
2.如权利要求1所述的组件,其中所述第一部件和所述第二部件通过界面相互紧固,所述界面的界面粘结能比所述第一聚酰胺组合物的内聚能高、或比所述第二聚酰胺组合物的内聚能高、或比两者都高。
3.如权利要求1所述的组件,其中所述TC2/TC1为至少3。
4.如前面权利要求1-3中任意一项所述的组件,其中所述第一聚酰胺组合物的面内热导率为至多1.25W/m.K。
5.如前面权利要求1-3中任意一项所述的组件,其中所述第二聚酰胺组合物的面内热导率为至少3W/m.K。
6.如前面权利要求1-3中任意一项所述的组件,其中所述第一聚酰胺和/或所述第二聚酰胺选自由PA6、PA66、PA46和PA46/4T、及其混合物和共聚物组成的组。
7.如前面权利要求1-3中任意一项所述的组件,其中所述第二聚酰胺组合物包含导热性填料,所述导热性填料选自由铝、氧化铝、铜、镁、碳、氮化硅、氮化铝、氮化硼、石墨、陶瓷纤维以及其混合物组成的组。
8.如前面权利要求1-3中任意一项所述的组件,其中所述第二聚酰胺组合物包含导热性填料,所述导热性填料包含黄铜。
9.制造包含含第一聚酰胺组合物的第一部件和含第二聚酰胺组合物的第二部件的部件的组件的方法,其中第一聚酰胺组合物包含称为“第一聚 酰胺”的半结晶聚酰胺和任选的一种或多种其他组分,第二聚酰胺组合物包含称为第二聚酰胺的半结晶聚酰胺和任选的一种或多种其他组分,所述第一部件和所述第二部件利用多组分注塑成型通过所述第一聚酰胺组合物和所述第二聚酰胺组合物之间的界面相互紧固,所述其他组分为辅助添加剂、增强纤维和/或填料,其中
-先注塑成型包含所述第一聚酰胺组合物的所述第一部件,再在所述第一部件上注塑成型包含所述第二聚酰胺组合物的所述第二部件,以在所述第一聚酰胺组合物和所述第二聚酰胺组合物之间产生界面,并且
-所述第二聚酰胺组合物的热导率TC2以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于所述第一聚酰胺组合物的热导率TC1。
10.如权利要求9所述的方法,其包含以下步骤:
(i)以高于所述第一聚酰胺的熔融温度Tm1的注射温度注塑成型所述第一聚酰胺组合物,即具有较低热导率TC1的聚酰胺组合物,以形成包含其的所述第一部件;
(ii)冷却所述第一部件,从而使所述第一聚酰胺组合物达到低于所述第一聚酰胺的结晶温度Tcr1的表面温度Ts1;以及
(iii)随后,在所述第一部件上以高于所述第二聚酰胺的熔融温度Tm2的温度注塑成型所述第二聚酰胺组合物,即具有较高热导率TC2的聚酰胺组合物,以形成所述第二部件,并且同时在所述第二聚酰胺组合物和所述第一聚酰胺组合物之间形成界面。
11.如权利要求9所述的方法,其中所述第一部件和所述第二部件通过界面相互紧固,所述界面的界面粘结能比所述第一聚酰胺组合物的内聚能高、或比所述第二聚酰胺组合物的内聚能高、或比两者都高。
12.如权利要求9-11中任意一项所述的方法,其中所述TC2/TC1比为至少3,且所述第一聚酰胺组合物的面内热导率至多为1.25W/m.K或者所述第二聚酰胺组合物的面内热导率至少为3W/m.K。
13.如权利要求9-11中任意一项所述的方法,其中所述TC2/TC1比为至少3,且所述第一聚酰胺组合物的面内热导率至多为1.25W/m.K,并且所述第二聚酰胺组合物的面内热导率至少为3W/m.K。
14.如权利要求9-11中任意一项所述的方法,其中所述第一聚酰胺和/或第二聚酰胺包含半结晶聚酰胺,所述半结晶聚酰胺选自由PA6、PA66、PA46和PA46/4T以及其混合物和共聚物组成的组。
15.如权利要求9-11中任意一项所述的方法,其中所述第二聚酰胺组合物包含导热性填料,所述导热性填料选自由铝、氧化铝、铜、镁、碳、氮化硅、氮化铝、氮化硼、石墨、陶瓷纤维以及其混合物组成的组。
16.如权利要求9-11中任意一项所述的方法,其中所述第二聚酰胺组合物包含导热性填料,所述导热性填料包含黄铜。
17.能够通过权利要求9-11中任意一项所述的方法得到的部件的组件,所述部件的组件包含含第一聚酰胺组合物的第一部件和含第二聚酰胺组合物的第二部件,其中第二部件包覆模塑于第一部件上,所述第一部件和所述第二部件通过所述第一聚酰胺组合物和所述第二聚酰胺组合物之间的界面相互紧固,其中所述第二聚酰胺组合物的热导率TC2以TC2/TC1为至少1.5的倍数高于第一聚酰胺组合物的热导率TC1。
18.包含如权利要求1-8或17中任意一项所述组件的灯插座或灯壳体。
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