CN103087415A - 一种导热绝缘复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热绝缘复合材料及制备方法，以聚丙烯粉料作为基体，以不规则形貌ZnO与片状Al2O3作为导热填料，利用不同形貌、不同粒径导热填料的合理配伍，使填料间形成接触和相互作用，形成导热网链。本发明的复合材料加工性能优良、耐热性好、生产成本较低，导热系数1.6~2.2W/(m﹒K)（ASTMD5470，HotDisk法），体积电阻率达到1015Ω·cm以上，可满足一些大功率电子器件以及一些换热设备的散热与绝缘要求。

Description

一种导热绝缘复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热绝缘复合材料及制备方法，主要用于电子器件以及一些换热设备的散热。
背景技术
目前提高聚合物材料导热率的途径主要有两种：一是合成具有高导热率的本征聚合物；二是通过添加高导热填料制备导热复合材料。本征聚合物虽然有很高的导热率，但生产成本很高，生产工艺复杂，难以实现规模化；而以导热填料填充来提高聚合物的导热率是一种行之有效的方法。
当导热填料填充量较小时，填料在基体中彼此间不能形成接触和相互作用，此时材料的导热率提高不大；当导热填料填充量高于某一临界值时，填料在基体中彼此间形成接触和相互作用，使体系形成大量的链状或类似网状结构形态，形成导热网，材料导热率提高很快。此外，导热填料的表面处理、粒径、形状对复合材料的导热系数也有影响。
金属粉如Au、Ag、Cu、Al等导热系数很大，可以作为导热填料，但金属粉是良好的导体，因此用金属粉填充制备的复合材料绝缘性较差；无机填料如炭黑、Al2O3、ZnO、AlN等导热系数较大，通过填充不同导热填料所制备的复合材料的性能相差很大，石墨是导体，用石墨填充制备的复合材料绝缘性也较差，AlN是绝缘性较好的导热填料，但其价格较贵，使生产成本加大。
发明内容
本发明旨在提供一种导热绝缘性能好的导热绝缘复合材料以及该复合材料的制备方法，所要解决的技术问题是提高复合材料的导热性能以满足电子器件和换热设备对散热的要求。
本发明的导热绝缘复合材料，由下述质量份的原料制成：
聚丙烯粉料100份；
改性导热填料400~450份；
抗氧剂0.1~0.3份。
所述改性导热填料是经钛酸酯偶联剂表面处理的导热填料；所述的钛酸酯偶联剂为钛酸酯偶联剂TC-114或钛酸酯偶联剂NDZ-201；所述导热填料由ZnO与片状Al2O3组成，ZnO与Al2O3的质量比为1 : 1~3；所述ZnO为粒径1μm的不规则形貌ZnO；所述Al2O3由6μm的片状Al2O3和15μm的片状Al2O3构成，6μm片状Al2O3与15μm片状Al2O3的质量比为1 : 1~3。
所述的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为抗氧剂1010，辅抗氧剂为抗氧剂168。
本发明的导热绝缘复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将导热填料与钛酸酯偶联剂在100℃的高速混合机中混合15min，得到改性导热填料；
（2）按配比将聚丙烯粉料、改性导热填料和抗氧剂在高速混合机中混合5min，然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，即得到导热绝缘复合材料。
所述步骤（1）中，钛酸酯偶联剂的添加量是导热填料质量的1% 。
本发明以聚丙烯粉料作为基体，以不规则形貌ZnO与片状Al2O3作为导热填料，利用不同形貌、不同粒径导热填料的合理配伍，使填料间形成接触和相互作用，形成导热网链。本发明的复合材料加工性能优良、耐热性好、生产成本较低，导热系数1.6~2.2W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率达到1015Ω·cm以上，可满足一些大功率电子器件以及一些换热设备的散热与绝缘要求。
具体实施方式
实施例1
分别将200份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、100份粒径为6μm的片状Al2O3、100份粒径为15μm的片状Al2O3和4份钛酸酯偶联剂TC-114加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将400份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.15份抗氧剂1010、0.15份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为1.6 W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为1.2×1016Ω·cm，拉伸强度20MPa，弯曲强度32MPa。
实施例2
分别将200份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、50份粒径为6μm的片状Al2O3、150份粒径为15μm的片状Al2O3和4份钛酸酯偶联剂TC-114加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将400份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.1份抗氧剂1010、0.1份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为1.7W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为8.5×1015Ω·cm，拉伸强度21MPa，弯曲强度33MPa。
实施例3
分别将100份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、150份粒径为6μm的片状Al2O3、150份粒径为15μm的片状Al2O3和4份钛酸酯偶联剂NDZ-201加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将400份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.1份抗氧剂1010、0.1份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为1.8 W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为9.6×1015Ω·cm，拉伸强度22MPa，弯曲强度30MPa。
实施例4
分别将100份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、75 份粒径为6μm的片状Al2O3、225份粒径为15μm的片状Al2O3和4份钛酸酯偶联剂NDZ-201加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将420份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.05份抗氧剂1010、0.05份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为2.0 W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为8.8×1015Ω·cm，拉伸强度23MPa，弯曲强度31MPa。
实施例5
分别将150份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、150份粒径为6μm的片状Al2O3、150份粒径为15μm的片状Al2O3和4.5份钛酸酯偶联剂TC-114加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将450份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.1份抗氧剂1010、0.1份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为2.1 W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为6.3×1015Ω·cm，拉伸强度18MPa，弯曲强度30MPa。
实施例6
分别将150份粒径为1μm的不规则形貌ZnO、75份粒径为6μm的片状Al2O3、225份粒径为15μm的片状Al2O3和4.5份钛酸酯偶联剂TC-114加入到100℃的高速混合机中，混合15min，得到改性导热填料。将450份改性导热填料、100份聚丙烯粉料、0.1份抗氧剂1010、0.1份抗氧剂168加入到高速混合机，混合5min。然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，得到导热绝缘复合材料。制备的导热绝缘复合材料的导热率为2.2 W/(m﹒K)（ASTM D 5470，Hot Disk法），体积电阻率为5.8×1015Ω·cm，拉伸强度19MPa，弯曲强度30.5MPa。

Claims (9)

1.一种导热绝缘复合材料，其特征在于，由下述质量份的原料制成：
聚丙烯粉料100份；
改性导热填料400~450份；
抗氧剂0.1~0.3份。
2.根据权利要求1所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述改性导热填料是经钛酸酯偶联剂表面处理的导热填料。
3.根据权利要求2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述的钛酸酯偶联剂为钛酸酯偶联剂TC-114或钛酸酯偶联剂NDZ-201。
4.根据权利要求2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述导热填料由ZnO与片状Al2O3组成，ZnO与Al2O3的质量比为1 : 1~3。
5.根据权利要求4所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述ZnO为粒径1μm的不规则形貌ZnO。
6.根据权利要求4所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述Al2O3由6μm的片状Al2O3和15μm的片状Al2O3构成，6μm片状Al2O3与15μm片状Al2O3的质量比为1 : 1~3。
7.根据权利要求1所述的导热绝缘复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为抗氧剂1010，辅抗氧剂为抗氧剂168。
8.权利要求1-7中任一项所述的导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将导热填料与钛酸酯偶联剂在100℃的高速混合机中混合15min，得到改性导热填料；
（2）按配比将聚丙烯粉料、改性导热填料和抗氧剂在高速混合机中混合5min，然后将混合后的物料在双螺杆挤出机上挤出造粒，即得到导热绝缘复合材料。
9.根据权利要求8所述的导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，钛酸酯偶联剂的添加量是导热填料质量的1% 。
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