CN103113647A - 阻燃导热塑料组成物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻燃导热塑料组成物。该阻燃导热塑料组成物包含：A聚烯烃，重量百分比为5至45％，B热塑性弹性体，重量百分比为3至25％，C热传导性填充物，重量百分比为35至85％，D非磷、非氮、非卤系防火剂，重量百分比为5至55重量％，E偶合剂，重量百分比为0.5至6％。本发明所提供的组成物具有UL94V1以上防火等级，热传导系数大于1.0Watts/m-K，105℃以上的热变形温度，高表面阻抗。组成物有良好加工性，可通过注塑、挤出或热压成型。

Description

阻燃导热塑料组成物

技术领域

本发明涉及一种阻燃热传导塑料的组成。

背景技术

电子组件、电路板或二极管所产生的热能不断累积时，容易导致组件的错误运作、零件故障，效率降低或使用寿命减短。因此，如何有效的散热对于这些电子零件来说非常重要。

传统电子零件散热的方法多使用金属板作为散热材，但是，相较于高分子材料而言，金属材料的成本及加工难度较高。然而，使用高分子材料又有一个较大的缺点，也就是高分子材料的导热率约0.1至0.5Watts/m-K，远不及金属好。因此，为了补足高分子在导热方面的不足，有众多研究者通过在高分子中填充金属粉末、金属氧化物、碳纤维、石墨、人工钻石、纳米碳管、无机氮硅化物等高导热率填充料。

比如，美国公开专利US 20110040007利用金属涂布的填充粒子、第二填充粒子及前二者混合之聚合物之组合，可使导热率达到20至35Watts/m-K。另一美国公开专利US 006048919及中国台湾专利M404994，则是利用金属、金属氧化物及高热传导填料，填充于树脂中来提高材料热传效果。

LED照明设备的散热组件目前多采用铝鳍等金属导热材料。而此种材料具有比重重、不易加工成型，且为电的良导体等特性，在使用上须考虑触电等安全上的问题。部分厂商为确保电器使用上的安全，以绝缘塑料包覆驱动组件，除了费用高之外，亦容易使驱动组件散热不良，导致驱动组件的使用寿命减少。

有鉴于此，本发明的目的在于开发具有高表面阻抗的导热塑料，使驱动组件能以直接接触或通过空气传热的方式，将热能传导至导热塑料，以促进驱动组件散热，达到延续使用寿命及提升使用安全的效果。并且，若使用单一材料即可达到导热效能，亦能够节省人力及资源。美国公开专利US 20090069483使用氧化铝纤维造0.5-5μm粒子，并与低电阻率材料及热塑性树脂模塑成电绝缘树脂。

另外，随着家电用品爆炸事件不断的传出，日常电器用品的安全规范渐被重视，如LED灯管及球泡安规有如下的规范：中国台湾CNS14335，CNS15436及CNS15438，北美UL-1993&UL-8750，加拿大CSA1993-2009，欧洲IEC/EN 62560及IEC/EN 60598-1，韩国KS C 7651-7653，检视上述法规防火等级至少要求V1以上，然市面上产品多不符合防火要求，因此，开发阻燃导热高阻抗的多功能塑料，将能因应未来市场需求及广泛运用于各种零组件及家电用品。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种阻燃导热塑料组成物，通过调整该组成物的组成，得到一种具有低的热阻抗，优良的稳定性，高表面阻抗等特性的阻燃导热塑料组成物。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种阻燃导热塑料组成物，包含：

A、至少一种聚烯烃，占该组成物的重量百分比为5至45％；

B、至少一种热塑性弹性体，占该组成物的重量百分比为3至25％，其中，所述聚烯烃与所述热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比为10至50％；

C、至少一种热传导性填充物，占该组成物的重量百分比为35至85％，其中，所述热传导性填充物选自于金属材料、热传导值大于10Watts/m-K的非金属材料或其混合；

D、至少一种防火剂，占该组成物的重量百分比为5至55％，其中，所述防火剂为非磷、非氮、非卤系防火剂；以及

E、至少一种偶合剂，占该组成物的重量百分比为0.5至6％。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，当聚烯烃与热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比小于20％，且聚烯烃的含量小于热塑性弹性体时，聚烯烃的含量为热塑性弹性体的含量的65％以上。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，金属材料选择由银、铝、金、铜、镍、锌及其任意混合所组成的群组中的任意一种，非金属材料选择由氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钻石、石墨、碳纳米管、碳化硅、碳化钨、氮化硅、玻璃纤维、钙硅石(wollastonite)及其任意混合所组成的群组中的任意一种。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，当热传导性填充物为金属材料混合非金属材料时，金属材料占该组成物的重量百分比为1至80％，非金属材料占该组成物的重量百分比为1至70％。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，当热传导性填充物为非金属材料时，非金属材料占该组成物的重量百分比为35至85％。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，热传导性填充物形状为粉末、纤维或其混合，超过90％的所述粉末或纤维的粒径或直径大小在1至40μm之间。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，防火剂占该组成物的重量百分比为20至40％，并且，防火剂选择由硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁及其任意混合所组成的群组中的任意一种。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，偶合剂占该组成物的重量百分比为1至5％，偶合剂选择由硅甲烷、钛酸盐、铝锆酸盐及其任意混合所组成的群组中的任意一种，或选择由顺丁烯二酐和聚丙烯、乙丙三元橡胶、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物及其任意混合所组成的群组中的任意一种。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，该组成物的热传导系数至少大于1.0Watts/m-K，熔融指数至少大于0.5g/10min以上，表面阻抗至少大于1E+9Ω/sq，热变形温度大于105℃以上，并且，该组成物具有阻燃等级UL94V1以上。

在本发明所提供的上述阻燃导热塑料组成物中，优选地，其还包括一加工助剂，该加工助剂选择由塑化剂、滑剂、抗氧化剂、UV安定剂、热安定剂、染料、颜料及其任意混合所组成的群组中的任意一种。

本发明还提供了一种塑料组成物，该组成物表面阻抗至少大于1E+9Ω/sq，包含：

A、至少一种聚烯烃，占该组成物的重量百分比为5至45％；

B、至少一种热塑性弹性体，占该组成物的重量百分比为3至25％，其中，聚烯烃与热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比为10至50％；及

C、至少一种热传导性填充物，占该组成物的重量百分比为35至85％，其中，热传导性填充物选自于金属材料、热传导值大于10Watts/m-K的非金属材料或其混合。

本发明还提供了一种上述塑料组成物(阻燃导热塑料组成物)的加工方法，选择注塑、挤出或热压成型。

本发明的目的是提供一种阻燃导热塑料的组成物。阻燃导热塑料的组成物，包含：A、至少一种聚烯烃，占组成物的重量百分比为5至45％；B、至少一种热塑性弹性体，占组成物的重量百分比为3至25％，其中，聚烯烃与热塑性弹性体的总和占组成物的重量百分比为10至50％；C、至少一种热传导性填充物，占组成物的重量百分比为35至85％，其中，热传导性填充物选自于金属材料、热传导值大于10Watts/m-K的非金属材料或其混合，并且，热传导性填充物形状选择粉末、纤维或其混合，而粉末或纤维的粒径或直径大小在1至40μm之间；至少一种防火剂，占组成物的重量百分比为5至55％，其中，防火剂为非磷、非氮、非卤系防火剂；以及至少一种偶合剂，占组成物的重量百分比为0.5至6％。

本发明的阻燃导热塑料组成物具有UL94V1以上的防火等级，低的热阻抗，优良的稳定性。且热传导系数大于1.0Watts/m-K，热变形温度105℃以上，高表面阻抗等特性。这些特性使本发明的组成物可达到优异散热性能及阻燃效果。未来可实际应用于LED照明设备散热用外壳、电子组件散热绝缘接口材料、多种电子零组件及家电用品。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文依本发明的阻燃导热塑料的组成，特举较佳实施例，作详细说明如下。

本发明的主要特征在于兼具阻燃与热传导特性的塑料。本发明的防火阻燃热传导组成物至少包含下列组成：

A、一种或多种聚烯烃，其可以是均聚物(homopolymer)或共聚物(copolymer)。均聚物(homopolymer)如聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯、聚1-戊烯、聚1-己烯、聚1-辛烯、聚4-甲基-1-戊烯等。共聚物(copolymer)如乙烯-醋酸乙烯共聚物，乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯-聚1-丁烯共聚物、丙烯-聚4-甲基-1-戊烯共聚物、丙烯-环烯烃共聚物等。聚烯烃占组成物的重量百分比为5至45％，较好的添加比例为10至30重量％。

B、一种或多种热塑性弹性体(Thermoplastic elastomer)，可以为苯乙烯类如具中嵌段(mid-block)及端嵌段(end-block)苯乙烯系嵌段共聚物。中嵌段可以为乙烯丙烯或是乙烯丁烯。端嵌段为聚苯乙烯(如：苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯嵌段共聚物)和混合物，亦可以为烯烃类如：嵌段形成硬质部的聚丙烯等结晶性高的聚合物之聚烯烃嵌段与软质部的呈现非结晶性的单体共聚物所成的嵌段共聚物，如烯烃(结晶性)-乙烯-丁烯-烯烃(结晶性)嵌段共聚物、聚丙烯-聚环氧乙烷-聚丙烯嵌段共聚物、聚丙烯-聚烯烃(非结晶性)-聚丙烯嵌段共聚物或双烯类等。其中热塑性弹性体占组成物的重量百分比为3至25％间，较好的添加比例为4至15重量％之间。

C、一种或多种热传导填充物，占组成物的重量百分比为35至85％间。热传导填充物形状可以选择粉末、纤维或其混合，并且，超过90％的粉末或纤维的粒径或直径大小约在1-40μm间。其中，热传导填充物选自金属材料、热传导值至少10Watts/m-K的非金属材料或其混合。

在一较佳实施例中，金属材料选择由银、铝、金、铜、镍、锌及其任意混合所组成的群组其中一种。热传导值至少为10Watts/m-K的非金属材料，在一较佳实施例中，选择由氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钻石、石墨、碳纳米管、碳化硅、碳化钨、氮化硅、玻璃纤维、钙硅石(wollastonite)及其任意混合所组成的群组其中的一种。

若热传导填充物为金属材料混合上述非金属材料时，在一较佳实施例中，金属材料占组成物的重量百分比为1至80％，较佳的添加比例为25至60重量％。而非金属材料占组成物的重量百分比为1至70％，较好的添加比例为5至55重量％。

若热传导填充物选择非金属材料时，则在组成物中，非金属材料占组成物的重量百分比为35至85％，较好的添加比例为50至80重量％。

D、至少一种防火剂，在一较佳实施例中，选择非氮、非磷、非卤系的防火剂。所述的防火剂较佳选择由硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁及其任意混合所组成的群组其中的一种。在组成物中，防火剂占组成物的重量百分比为5至55％，在一较佳实施例中，添加比例约20至40重量％。

由于本发明所用的防火剂非磷、非氮、非卤系，于燃烧时不会产生有毒的气体，所以不会影响生物健康及环境质量。此外，防火剂中所添加氢氧化铝或氢氧化镁，在高温下会吸收大量热量，并放出结晶水。而结晶水在汽化过程中又会再吸收大量的热，可以降低环境的热量而达到阻燃的效果。

E、至少一种偶合剂，在一较佳实施例中，选择由硅甲烷、钛酸盐、铝锆酸盐及其任意混合所组成的群组其中的一种，或者，选择由顺丁烯二酐和聚丙烯、乙丙三元橡胶、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物及其任意混合所组成的群组其中的一种。在组成物中，偶合剂占组成物的重量百分比为0.5至6％间，较佳实施例中，添加比例为1至5重量％。

本发明的阻燃导热组成物，除了包含上述的A、B、C、D及E成份的组成外，也可加入常见的加工助剂。所述的加工助剂选自于塑化剂、滑剂、抗氧化剂、UV安定剂、热安定剂、染料、颜料及其任意组合所组成的群组其中的一种。

在一较佳实施例中，上述组成物中聚烯烃(A)与热塑性弹性体(B)的总和占组成物的重量百分比为10至50％之间。若聚烯烃(A)与热塑性弹性体(B)的总和占组成物的重量百分比小于20％，且聚烯烃(A)含量又小于热塑性弹性体(B)时，聚烯烃(A)的含量至少大于热塑性弹性体(B)含量的65％以上。若否，则热传导填充物(C)在组成物中所占重量百分比不易达到70％以上。

本发明的塑料组成物，除了具有良好的阻燃性及导热性之外，也具有高表面阻抗。制备时，以热塑性材料的加工方法，如：注塑、挤出或热压成型等加工方法来成型即可。

制作方法

本发明其中一实施例中，阻燃导热塑料组成物的制造方法包括：将组成物A、B、C、D及E分别以进料机送入双螺杆挤出机熔融捏合，以得到共同熔融捏合的组成物。以此方式制作的阻燃导热塑料组成物，可以依形状需求选择适当的模具，搭以适当的塑型设备来成型。

如前述组合物所制作出来的试片，根据ISO 22007-2测试热传导系数，可得K值大于1.0Watts/m-K。

实施例

请参照表1，为实施例1至13各组成配比及量测结果：

表1：实施例1-13的配方及物性表

由表中可看出本发明不同实施例的配比。其中，聚烯烃、热塑性弹性体、铝、氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化锌、氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌或偶合剂的表示为重量百分比。

实施例的制作方法皆是将聚烯烃、热塑性弹性体、无机填料、防火剂及偶合剂分别置入进料斗，使用同向双螺杆挤出机捏合及粒化。其中，螺杆转速控制在150至200rpm。得到粒状物后，以注塑机于螺杆加热温度210℃和模温控制90℃注塑，所得的模塑对象为40毫米×40毫米×2毫米厚。

量测方法列举如下：

[导热率]

使用热盘(Hot Disk)测试，测试方法依据ISO 22007-2。

[熔融指数]

于200℃10Kg荷重下，测试方法依据ASTM D1238。

评估标准标示如下：

○：熔融指数间大于5g/10min

△：熔融指数介于0.5g/10min至5g/10min

×：熔融指数小于0.5g/10min

[表面阻抗]

使用表面阻抗测定仪，测试方法根据ASTM D257。

评估标准标示如下：

○：大于1E+12Ω/sq

△：介于1E+9Ω/sq至1E+12Ω/sq间

×：小于1E+9Ω/sq

[热变形温度]

使用热变形温度测试仪，荷重0.45MPa，测试方法根据ASTM D648。

评估标准标示如下：

○：大于等于120℃

△：介于105℃至120℃间

×：介于90℃至105℃间

[耐燃性测试]

依据UL 94垂直测试方法；取2组样品，每组5支，放入(1)分别于23±2℃和50±5％下，放置48小时；(2)置入空气交换炉，温度为70±1℃，持温168小时后，在室温下冷却至少4小时再进行测试。燃烧时火焰中心置于样品下边中心点处，燃具顶部到样品下端距离为10±1mm，维持10±0.5秒，燃烧10±0.5秒后以300mm/min的速度移开燃具，使其与样品下端距离至少150mm，同时开始纪录余焰时间t1，余焰停止时立刻再次燃烧10±0.5秒，移开燃具后，记录余焰时间t2和余燃时间t3。纪录t1、t2、t3、是否有滴垂及点燃棉花现象。加总的时间越短表示阻燃效果越佳。评估标准标示如下表2。

表2

评估方法/评估等级	V0	V1	V2
				每一试片最长自熄时间t1+t2(秒)	≤10	≤30	≤30
滴垂塑料对外科棉花是否点燃	不可	不可	可
				可否滴垂	可	可	可
每一试片总余烬消失时间t2+t3(秒)	≤30	≤30	≤30
				所有样品的t1+t2(秒)	≤50	≤250	≤250

聚烯烃本身具有较高的表面阻抗，但添加热传导填充物却有可能降低其表面阻抗值，因此，聚烯烃与热传导填充物所添加的比例如何调配，以使塑料组成物的导热性改善同时，仍维持高表面阻抗，为本发明技术特征之一。

由表1中可以看出，经由测试，本发明实施例1-13的塑料组成物，热变形温度至少105℃以上，热传导系数大于1.0Watts/m-K，表面阻抗大于1E+9Ω/sq以上，导热率、表面阻抗或热变形温度表现在一定标准，甚至更佳，皆可以运用于导热相关的材料。另外，于200℃，10公斤荷重下，所测得的熔融指数在0.5g/10min以上，易于制备及加工。

值得一提的是，在较佳实施例1-5中，所添加的阻燃剂比例较多，且抗燃的能力较好，因此，具有UL94V1以上的防火等级。也就是说，本发明实施例1-5，除了具有良好的导热性及高表面阻抗之外，也具有很好的阻燃性。

前述的测试数据证明，本发明所提供的塑料组成物确实兼具防火阻燃、高导热性、高表面阻抗的优点。可应用于电子组件、电路板或二极管中作为散热板，或于应用于LED照明设备或家用电器的外壳。并且，本发明所提供的塑料组成物有良好加工性，可通过注塑、挤出或热压成型，制备方法容易。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于上述实施例。凡熟悉此项技术者，当可轻易了解并利用其它组件或方式来产生相同的功效。是以，在不脱离本发明的精神与范畴内所作的修改，均应包含在本申请的权利要求保护范围内。

Claims (12)

1.一种阻燃导热塑料组成物，包含：

A、至少一种聚烯烃，占该组成物的重量百分比为5至45％；

B、至少一种热塑性弹性体，占该组成物的重量百分比为3至25％，其中，所述聚烯烃与所述热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比为10至50％；

C、至少一种热传导性填充物，占该组成物的重量百分比为35至85％，其中，所述热传导性填充物选自于金属材料、热传导值大于10Watts/m-K的非金属材料或其混合；

D、至少一种防火剂，占该组成物的重量百分比为5至55％，其中，所述防火剂为非磷、非氮、非卤系防火剂；以及

E、至少一种偶合剂，占该组成物的重量百分比为0.5至6％。

2.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，当所述聚烯烃与所述热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比小于20％，且所述聚烯烃的含量小于所述热塑性弹性体时，所述聚烯烃的含量为所述热塑性弹性体的含量的65％以上。

3.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述金属材料选择由银、铝、金、铜、镍、锌及其任意混合所组成的群组其中一种，所述非金属材料选择由氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钻石、石墨、碳纳米管、碳化硅、碳化钨、氮化硅、玻璃纤维、钙硅石及其任意混合所组成的群组其中的一种。

4.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述热传导性填充物为所述金属材料混合所述非金属材料时，所述金属材料占该组成物的重量百分比为1至80％，所述非金属材料占该组成物的重量百分比为1至70％。

5.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述热传导性填充物为非金属材料时，所述非金属材料占该组成物的重量百分比为35至85％。

6.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述热传导性填充物形状为粉末、纤维或其混合，超过90％的所述粉末或纤维的粒径或直径大小在1至40μm之间。

7.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述防火剂占该组成物的重量百分比为20至40％，并且，所述防火剂选择由硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁及其任意混合所组成的群组其中的一种。

8.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，所述偶合剂占该组成物的重量百分比为1至5％，所述偶合剂选择由硅甲烷、钛酸盐、铝锆酸盐及其任意混合所组成的群组其中的一种，或选择由顺丁烯二酐和聚丙烯、乙丙三元橡胶、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物及其任意混合所组成的群组其中的一种。

9.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，其中，该组成物的热传导系数至少大于1.0Watts/m-K，熔融指数至少大于0.5g/10min以上，表面阻抗至少大于1E+9Ω/sq，热变形温度大于105℃以上，并且，该组成物具有阻燃等级UL94V1以上。

10.如权利要求1所述的阻燃导热塑料组成物，更包括一加工助剂，该加工助剂选择由塑化剂、滑剂、抗氧化剂、UV安定剂、热安定剂、染料、颜料及其任意混合所组成的群组其中的一种。

11.一种塑料组成物，该组成物表面阻抗至少大于1E+9Ω/sq，包含：

A、至少一种聚烯烃，占该组成物的重量百分比为5至45％；

B、至少一种热塑性弹性体，占该组成物的重量百分比为3至25％，其中，所述聚烯烃与所述热塑性弹性体的总和占该组成物的重量百分比为10至50％；及

C、至少一种热传导性填充物，占该组成物的重量百分比为35至85％，其中，所述热传导性填充物选自于金属材料、热传导值大于10Watts/m-K的非金属材料或其混合。

12.一种如权利要求1或11所述的塑料组成物的加工方法，选择注塑、挤出或热压成型。