CN103172924A - 高导热聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

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袁松
盛京
邓雄伍
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本发明涉及一种高导热性聚合物复合材料及其制备方法。它是由聚合物为基体，六方氮化硼和碳纤维为填充材料组成的三维连续结构。在六方氮化硼填充改性聚合物材料的体系中引入碳纤维，在氮化硼均匀分散在聚合物基体中作为良导热材料的基础上，利用碳纤维在材料体系中的架桥作用，进一步改善和强化在复合材料内形成的导热通道，显著提高材料的导热性的同时，可通过碳纤维的加入降低六方氮化硼的填充量，从而降低导热复合材料的综合成本。解决六方氮化硼和碳纤维与聚合物材料之间的相容性问题。本发明高导热聚合物复合材料表现出良好的导热性；聚合物复合材料力学性能良好。这种高导热聚合物复合材料在导热高分子领域及现实应用具有广阔的前景。

Description

高导热聚合物复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种高导热性聚合物复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的发展，小型高精度电子设备、集成电路及电器外壳等的散热配件广泛采用了导热高分子材料，并对导热高分子材料的要求越来越高，需求也越来越多。导热高分子复合材料的研究开发已成为功能性复合材料的研究开发热点。
聚合物材料的综合性能较好，如具有较高的韧性、抗环境应力开裂能力、较高的抗冲击强度、拉伸强度、优良的成膜性及好的热封性能等，且聚合物材料的价格低廉，也有一定的导热性能。但与新兴的微小电设备、集成电路和电器外壳等对其固定及包装材料的散热性要求相比，聚合物的导热性远远不能满足。因此需要对聚合物材料进行复合改性，以增进其导热性，同时需要充分保持和利用聚合物材料自身的优点。
可用于聚合物材料填充改性以获得具有良好导热性复合材料的导热填料有很多种，其中六方氮化硼的膨胀系数低，热导率高，导热系数约为33W/m.k，既是热的良导体又是典型的绝缘体，且六方氮化硼与很多常规导热填料相比具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性和化学稳定性，与石墨烯等新型导热填料相比又具有价格相对低廉的优势。因此，六方氮化硼常作为导热填料填充到聚合物材料中以大幅提高聚合物材料的导热性。目前，采用氮化硼单独填充聚合物以增强材料，所得到的聚合物复合材料的导热性相对聚合物材料已得到显著改善，并可具有一定的综合性能，如具有平衡的力学性能，或与其它常规导热复合材料相比，具有更好的化学稳定性和绝缘性等。尽管如此，采用六方氮化硼填充聚合物材料，在满足某些高端高散热器件的应用上仍有不足，其主要问题在于，单位浓度的填充量对复合材料导热的贡献仍有欠缺，导热效率尚不够高，为了达到一定的热导率，需要的六方氮化硼填充量很高，成本增加的同时会较大幅度损失力学性能。如何进一步提高聚合物复合材料的导热性，并保持良好的综合性能，仍然是很多研究开发工作所面临的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热聚合物复合材料及其制备方法，其特征之一是以聚合物材料为基体，以粉体六方氮化硼和碳纤维共同作为填充材料，协同构成更为完善的三维连续的导热通路，为热量提供优良的稳定通道，达到高导热的母的；特征之二是所采用六方氮化硼和碳纤维分别进行特定的表面处理，以提高其余聚合物的相容性，使聚合物复合材料保持较好力学性能；特征之三是通过碳纤维的加入可降低氮化硼的填充量并进而降低导热复合材料的成本并获得良好的力学性能。
本发明的技术方案如下：
一种高导热聚合物复合材料，它是由聚合物为基体，六方氮化硼和碳纤维为填充材料组成的三维连续结构。
所述的聚合物材料为高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙6(PA6)；
本发明的高导热聚合物复合材料的制备方法，步骤如下：
1）改性六方氮化硼
将六方氮化硼放入钛酸酯偶联剂的异丙醇溶液中，在80～120℃油浴锅中搅拌1～3hr，真空抽滤后放入真空烘箱中干燥，将产物干燥至恒重；偶联剂的用量为氮化硼用量的0.5～3%；
2）改性碳纤维
将碳纤维放入等离子体处理装置中，使用Ar、空气或CO2任意一种等离子体处理，处理电压20～60v，处理时间为3～15min；
3）聚合物/六方氮化硼/碳纤维复合材料的制备
按照质量份数计，取100份的聚合物，25～100份步骤1）的改性的六方氮化硼和5～20份步骤2）的改性碳纤维共混。
六方氮化硼的平均粒径为1～50μm，优选的平均粒径为9.25μm。
碳纤维的单丝直径为1～100μm，优选的碳纤维单丝直径为7～10μm，长径比约为1000。
本发明提出，在六方氮化硼填充改性聚合物材料的体系中引入碳纤维，在氮化硼均匀分散在聚合物基体中作为良导热材料的基础上，利用碳纤维在材料体系中的架桥作用，进一步改善和强化在复合材料内形成的导热通道，显著提高材料的导热性的同时，可通过碳纤维的加入降低六方氮化硼的填充量，从而降低导热复合材料的综合成本。为解决六方氮化硼和碳纤维（表面含有大量的极性基团）与聚合物材料之间的相容性问题。本发明高导热聚合物复合材料表现出良好的导热性；聚合物复合材料力学性能良好。这种高导热聚合物复合材料在导热高分子领域及现实应用具有广阔的前景。
附图说明
图1实施例1聚合物复合材料的断面扫描电镜照片；
图2实施例2聚合物复合材料的断面扫描电镜照片。
具体实施方式
实验中使用的总的物料的重量为55～60g。
实施例1
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.1g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到80℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取2.2g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入氩气，20v电压放电处理3min，然后放置在空气中10min。称取44g高密度聚乙烯(HDPE)，11g改性的六方氮化硼粉末，2.2g改性碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表1所示，其中热导率达到2.104W/m.k，所得该导热复合材料的断面扫描电镜照片如图1所示。
实施例2
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.2g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到100℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取3.3g台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入空气，40v电压放电处理5min，然后放置在空气中8min。称取38g高密度聚乙烯(HDPE)，14g改性的六方氮化硼粉末，3.3g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表1所示，其中热导率达到2.589W/m.k，所得该导热复合材料的断面扫描电镜照片如图2所示。
实施例3
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.4g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到100℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取4g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入氩气，60v电压放电处理8min，然后放置在空气中10min。称取33g高密度聚乙烯(HDPE)，18g份改性的六方氮化硼粉末，4g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表1所示，其中热导率达到3.257W/m.k。
实施例4
称取30g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.9g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到80～120℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取5.4g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入CO2，60v电压放电处理15min，然后放置在空气中5min。称取27g高密度聚乙烯(HDPE)，27g改性的六方氮化硼粉末，5.4g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表1所示，其中热导率达到3.859W/m.k。
实施例5
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.1g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到80℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取2.2g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入氩气，20v电压放电处理3min，然后放置在空气中5min。称取44g尼龙6(PA6)，11g改性的六方氮化硼粉末，2.2g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表2所示，其中热导率达到1.613W/m.k。
实施例6
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.2g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到100℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取3.3g台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入氩气，40v电压放电处理8min，然后放置在空气中5min。称取38g尼龙6(PA6)，14g改性的六方氮化硼粉末，3.3g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表2所示，其中热导率达到2.046W/m.k。
实施例7
称取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.4g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到120℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取4g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入空气，60v电压放电处理10min，然后放置在空气中10min。称取33g尼龙6(PA6)，18g改性的六方氮化硼粉末，4g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表2所示，其中热导率达到2.663W/m.k。
实施例8
称取30g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圆底烧瓶中，然后准确称取0.9g钛酸酯偶联剂，用异丙醇溶解后加入烧瓶中，当温度升到120℃，开动电磁搅拌装置恒温搅拌3hr。之后将混合物真空抽滤，滤饼在真空烘箱中烘干，储存在干燥器中备用。取5.4g的台丽T35型碳纤维放入CTP-2000K等离子体处理器中，通入CO2，60v电压放电处理15min，然后放置在空气中10min。称取27g尼龙6(PA6)，27g改性的六方氮化硼粉末，5.4g改性的碳纤维放入XSS-30型转矩流变仪中熔融共混，混炼温度190℃，混炼时间15min，转速为30r/min，制得共混物，用DRL导热仪测定其热导率，试样直径为30mm，厚度为3mm。热导率及力学性能如表2所示，其中热导率达到3.209W/m.k。
表1.实施例1、2、3、4聚合物复合材料的导热性能和力学性能
Figure BDA00003063850200051
表2.实施例5、6、7、8聚合物复合材料的导热性能和力学性能
Figure BDA00003063850200061
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高导热聚合物复合材料，其特征在于：它是由聚合物为基体，六方氮化硼和碳纤维为填充材料组成的三维连续结构。
2.如权利要求1所述的高导热聚合物复合材料，其特征在于所述的聚合物材料为高密度聚乙烯或尼龙6。
3.如权利要求1所述的高导热聚合物复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）改性六方氮化硼
将六方氮化硼放入钛酸酯偶联剂的异丙醇溶液中，在80～120℃油浴锅中搅拌1～3hr，真空抽滤后放入真空烘箱中干燥，将产物干燥至恒重；偶联剂的用量为氮化硼用量的0.5～3%；
2）改性碳纤维
将碳纤维放入等离子体处理装置中，使用Ar、空气或CO2任意一种等离子体处理，处理电压20～60v，处理时间为3～15min；
3）聚合物/六方氮化硼/碳纤维复合材料的制备
按照质量份数计，取100份的聚合物，25～100份步骤1）的改性的六方氮化硼和5～20份步骤2）的改性碳纤维共混。
4.如权利要求4所述的方法，其特征在于所采用的六方氮化硼的粒径为1～50μm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所采用的碳纤维单丝直径1～100μm。
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