CN103087389A - 一种高导热高韧性复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热高韧性复合材料，其由如下质量份的各组份制成：基体树脂100份；颗粒状导热填料1~10份；片状导热填料25~40份；晶须状导热填料1~10份；增韧剂1~10份；偶联剂0.1~0.5份。本发明还公开了该高导热高韧性复合材料的制备方法。本发明中的石墨构成了三维导热网络的主体，晶须状导热填料穿过树脂层，连接被树脂阻隔的各石墨导热层，而颗粒状导热填料产生更多的粒子间相互接触点。这样，由于不同形状导热填料有效堆积，形成更多导热通路，使复合材料导热性能有效提高。同时，颗粒状和晶须状导热填料对复合材料具有增韧和增强作用，因此该复合材料兼具高导热与韧性高的优点。

Description

一种高导热高韧性复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热复合材料，特别涉及一种高导热高韧性复合材料及其制备方法。

背景技术

高分子基体材料基本上没有热传递所需要的均一致密的有序晶体结构或载荷子，导热性能相对较差。为了提高其导热性，可以通过两种途径来解决：一是制备结构型导热高分子材料，二是加入导热填料。第一种方法制备工艺繁琐、难度大、成本高。而采用向基体中加入导热填料的方法，加工工艺简单，成本相对较低。

对于填充型导热高分子，热导率取决于高分子基体和导热填料间的复合状况。加入导热填料后，如果体系内部可以形成类似网状或链状结构形态，即形成导热网链，导热增加。所以，热导率提高的真正原因在于导热填料间的有效堆积，形成导热通路。分散于树脂中的导热填料，有颗粒状、片状、晶须状等形状。以熔融混合而言，颗粒状导热填料在树脂中形成导热网络的方式是点点连接，导热能力较差。虽然片状和晶须状导热填料在树脂中以面面连接的方式形成导热网络，但是片状和晶须状导热填料间接触的几率较小。所以单独使用颗粒状、片状、晶须状导热填料，复合材料导热能力的提高程度有限。虽然有报道使用不同形状导热填料，如《塑料》2007,36（6）：32-35，但最大导热率只有0.7 W/(m﹒K)；《塑料工业》2006,34（9）：7-10，石墨含量30%时，冲击强度只有10 kJ/m²，不能满足某些特定应用。制备高导热率复合材料的方法是尽可能提高导热填料含量。对于应用较为广泛的颗粒状和片状导热填料，提高含量，会降低复合材料的力学性能，无法满足某些特定环境的应用。虽然某些纤维状和晶须状导热填料可以增强增韧复合材料，但是其导热效果较差，而且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导热高韧性复合材料及其制备方法。

本发明的高导热高韧性复合材料，由如下质量份的各组份制成：

基体树脂100份；

颗粒状导热填料1~10份；

片状导热填料25~40份；

晶须状导热填料1~10份；

增韧剂1~10份；

偶联剂0.1~0.5份。

其中，所述基体树脂为高密度聚乙烯中的一种或几种；所述高密度聚乙烯可以为JHMGC100S、5000S等。

所述颗粒状导热填料为Al₂O₃、 ZnO、 AlN中的一种或几种。

所述片状导热填料为石墨，粒径为1~25 μm。

所述晶须状导热填料为SiC、 ZnO、 MgO中的一种或几种。

所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物（POE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）中的一种或几种。

所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ101。

本发明的高导热高韧性复合材料的方法，包括以下步骤：

(a)按比例将不同形状导热填料与偶联剂加入到高速混合机中混合，进行表面处理；

(b)按比例将处理过的导热填料与基体树脂、增韧剂加入到高速混合机中混合；

(c)将（b）中混合物于双螺杆挤出机挤出，即得到所述的高导热高韧性复合材料。

本发明通过不同形状导热填料配合使用，以价格低、导热率高的石墨为主要导热填料，配以颗粒状和晶须状导热填料形成三维导热网络。石墨构成了三维导热网络的主体，晶须状导热填料穿过树脂层，连接被树脂阻隔的各石墨导热层，而颗粒状导热填料产生更多的粒子间相互接触点。这样，由于不同形状导热填料有效堆积，形成更多导热通路，使复合材料导热性能有效提高。同时，颗粒状和晶须状导热填料对复合材料具有增韧和增强作用，因此该复合材料兼具高导热与韧性高的优点。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明技术方案的进一步说明，不应简单理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员基于本发明的实质内容而对本发明所做出的非实质性的替换或调整仍应属于本发明的保护范围。如无特别说明，所述份数均为质量份。

实施例1

将5份颗粒状 Al₂O₃（粒径5μm）、30份石墨（粒径20μm）和1份晶须状SiC（直径3μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（JHMGC100S）和5份POE（KC170，LG化学）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.6W/(m﹒K)、拉伸强度26.3 MPa、冲击强度36.3kJ/m²。

实施例2

将1份颗粒状ZnO（粒径3μm）、30份石墨（粒径10μm）和5份晶须状MgO（直径3.5μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（5000S）和5份POE（8200，美国DuPont）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.4W/(m﹒K)、拉伸强度26.1 MPa、冲击强度36.1kJ/m²。

实施例3

将10份颗粒状AlN（粒径4μm）、30份石墨（粒径20μm）和5份晶须状ZnO（直径3μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（JHMGC100S）和5份EVA（2805，法国Altfina）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.5W/(m﹒K)、拉伸强度26.6 MPa、冲击强度34.6kJ/m²。

实施例4

将5份颗粒状Al₂O₃（粒径5μm）、25份石墨（粒径10μm）和5份晶须状ZnO（直径3μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（5000S）和5份POE（8200，美国DuPont）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.45W/(m﹒K)、拉伸强度26.03 MPa、冲击强度36.6kJ/m²。

实施例5

将5份颗粒状ZnO（粒径3μm）、30份石墨（粒径20μm）和10份晶须状SiC（直径3μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（JHMGC100S）和5份POE（KC170，LG化学）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.64W/(m﹒K)、拉伸强度26.4 MPa、冲击强度35kJ/m²。

实施例6

将5份颗粒状AlN（粒径4μm）、40份石墨（粒径15μm）和5份晶须状MgO（直径3.5μm，长径比10）与0.3份钛酸酯偶联剂NDZ101加入高速混合机中进行表面处理。然后将处理过的导热填料与100份高密度聚乙烯（5000S）和5份POE（8200，美国DuPont）加入高速混合机中混合，用双螺杆挤出机挤出。所制备高导热高韧性复合材料的导热系数1.61W/(m﹒K)、拉伸强度26.64MPa、冲击强度34kJ/m²。

Claims (8)

1.一种高导热高韧性复合材料，其特征在于，由如下质量份的各组份制成：

基体树脂100份；

颗粒状导热填料1~10份；

片状导热填料25~40份；

晶须状导热填料1~10份；

增韧剂1~10份；

偶联剂0.1~0.5份。

2.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述基体树脂为高密度聚乙烯中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述颗粒状导热填料为Al₂O₃、 ZnO、 AlN中的一种或几种；所述颗粒状导热填料粒径为1~5 μm。

4.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述片状导热填料为石墨，粒径为1~25 μm。

5.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述晶须状导热填料为SiC、 ZnO、 MgO中的一种或几种；所述晶须状导热填料直径3~5μm，长径比8~12。

6.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物（POE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的高导热高韧性复合材料，其特征在于，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ101。

8.一种制备权利要求1-7任一项所述的高导热高韧性复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)按比例将不同形状导热填料与偶联剂加入到高速混合机中混合，进行表面处理；

(b)按比例将处理过的导热填料与基体树脂、增韧剂加入到高速混合机中混合；

(c)将（b）中混合物于双螺杆挤出机挤出，即得到所述的高导热高韧性复合材料。