CN103172984B - 高导热复合材料与利用该复合材料的照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一高导热复合材料，包括：第一复合材料，是玻璃纤维分布于聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、或聚丙烯(PP)中；以及第二复合材料，是碳材分布于聚对苯二甲酸乙二酯中，其中第一复合材料与第二复合材料为共连续且不兼容的两相型态。本发明还提供一种利用该复合材料的照明装置。
Description
技术领域
本发明是关于导热复合材料，更特别关于组成为共连续且不兼容的两相高分子的导热复合材料。
背景技术
近年来电子电器设备设计趋势追求轻薄短小，但功能需求却更为强大，因此系统对散热的效能要求益形严苛，热管理产业市场已达NT1,800亿元(2008年)，即散热材料的市场需求庞大且逐年成长。传统散热产品采用铝压铸或填充热固环氧树脂为主，但加工困难成本高昂，广泛应用不易。导热塑料不仅具有金属和陶瓷的热传递性能，同时还保留了普通塑料在设计、性能和成本方面的其它优点，如均匀散热、重量轻(比铝材轻40～50％)、多种基础树脂选择、成型加工经济方便、提高设计自由度等。
目前导热复合材料商品大多为导入导热粉体如陶瓷粉体(BN、SiC、或AlN)与导电纤维如碳纤维或纳米碳管于热塑高分子中。为达良好的导热效果，必须添加大量的导热粉体。但添加大量导热粉体容易造成后段加工制程上的困难，并造成复合材料物性大幅下降，此外导热粉体是导热复合材料的主要成本，添加大量导热粉体势必大幅提高成本丧失竞争优势。
综上所述，目前亟需新的导热复合材料，在维持所需导热性的前提下，可降低导热粉体的使用量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热复合材料，其具有高的导热性能，且可降低导热粉体的使用量。
本发明的另一目的在于提供利用上述高导热复合材料的照明装置。
本发明提供一种高导热复合材料，包括：第一复合材料，是玻璃纤维分布于聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、或聚丙烯(PP)中；以及第二复合材料，是碳材分布于聚对苯二甲酸乙二酯中，其中第一复合材料与第二复合材料为共连续且不兼容的两相型态。
本发明还提供一种照明装置，包含：灯座；以及散热模组，配置在灯座上，其中散热模组是由上述的高导热复合材料所形成。
本发明提供的导热复合材料包括一第一复合材料与第二复合材料的共连续(co-continuous)且不兼容(incompatible)的两相型态，因此在具有相同碳材添加量的情况下，该两相型态的复合材料比单一高分子的复合材料的导热效率高，或比单一高分子的复合材料的耐热性高。
附图说明
图1是本发明一实施例中，高导热复合材料的型态示意图；
其中，主要元件符号说明：
11～高导热复合材料；13～第一复合材料；
15～第二复合材料； 17～碳材。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例提供的高导热复合材料11是由第一复合材料13与第二复合材料15所组成。第一复合材料13与第二复合材料15为共连续(co-continuous)且不兼容(incompatible)的两相型态。第一复合材料13为玻璃纤维分布于聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(Acrylonitrile butadiene styrene，ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate，PBT)、聚己内酰胺(Poly(ε-caprolactam)，Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Polyhexamethylene adipamide，Nylon 66)、或聚丙烯(Polypropylene，PP)中。玻璃纤维可增加高导热复合材料11的机械强度，而聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、及聚丙烯(PP)为耐热高分子。在本发明一实施例中，玻璃纤维与聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、或聚丙烯(PP)的重量比介于10∶90至40∶60之间。若 玻璃纤维的用量过高，则会造成流动性变差导致无法加工。若玻璃纤维的用量过低，则无法有效增加高导热复合材料11的机械强度。在本发明一实施例中，聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、或聚丙烯(PP)的熔融指数(Melt Flow index)介于70g/min至5000g/min之间。若聚苯硫醚(PPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚己内酰胺(Nylon 6)、聚己二酰己二胺(Nylon 66)、或聚丙烯(PP)的熔融指数过高，则会造成流动性过低导致无法加工。
第二复合材料15为碳材17分布于聚对苯二甲酸乙二酯中。由图1可清楚看到，碳材17只分布于第二复合材料15的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，PET)中且彼此相连，可提供导热路径。由于碳材17不会分布至第一复合材料13中，因此可减少碳材17的使用量。聚对苯二甲酸乙二酯属热塑性高分子，有利于复合及后续成型制程。在本发明一实施例中，聚对苯二甲酸乙二酯与碳材17的重量比介于10∶90至70∶30之间。若碳材17的用量过高，则会造成流动性变差导致无法加工以及机械强度不佳。若碳材17的用量过低，则无法让高导热复合材料11具有足够的导热性。在本发明一实施例中，碳材17可为石墨、石墨烯、碳纤维、纳米碳管、或上述的组合，上述的碳材尺寸介于150μm至600μm之间。在本发明一实施例中，聚对苯二甲酸乙二酯的本征粘度(intrinsic viscosity)介于0.4dL/g至2dL/g之间。
在本发明一实施例中，上述的第一复合材料13与第二复合材料15的重量比介于1∶9至3∶7之间。若第一复合材料13的比例过低，则高导热复合材料11的机械强度不足。若第一复合材料13的比例过高，则高导热复合材料11的导热性不足。依比例取玻璃纤维与PPS、ABS、PBT、Nylon 6、Nylon 66、或PP形成第一复合材料13。依比例取碳材17、PET、与第一复合材料13复合形成产物，其中碳材17与PET复合形成第二复合材料15。以显微镜测量切面可知第一复合材料13与第二复合材料15为共连续相，玻璃纤维仅分布于第一复合材料13而未分布至第二复合材料15中，且碳材17仅分布于第二复合材料15而未分布至第一复合材料13中。
一般而言，导热复合材料的导热性需高于1.0W/m.K，且热变形温度(耐热性)需高于100℃。导热复合材料可应用于散热装置，比如LED灯的散热模 组(详见中国台湾专利申请号101305145及101106871)。举例来说，照明装置可包含灯座与配置其上的散热模组，而散热模组是由本发明上述的高导热复合材料所形成。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例配合所附附图，作详细说明如下：
【实施例】
下述为本发明采用的原料来源、机台设备、及测量设备：
PPS：购自Chevron Phillips Chemical Company LP的P-4。
玻璃纤维：购自Chevron Phillips Chemical Company的R-4。
PET：购自新光合纤的5015W。
ABS：购自Grand pacific petrochemical corporation的D670。
PC：RTP Company的399X 95997B。
PBT：购自Shinkong的DE3011。
Nylon 6：Sabic Konduit的PTF-212-11。
Nylon 66：购自Toray的CM3004G30。
PP：购自LCY CHEMICAL Corporation的6733。
石墨粉末：购自台湾波律公司的天然石墨。
碳纤维：购自Cytec.Industrial的DKD。
复合机台：购自Coperion Werner&Pfleiderer的双螺杆挤出机。
产物导热性测量：依ISO/DIS 22007-2标准测量，测量机台为Hot DiskAB(瑞典)的Transient Plane Source。
比较例1
取80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为220.1℃，且其导热性为0.29W/m·K。
比较例2
取60重量份的PPS与40重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为195.5℃，且其导热性为0.90W/m·K。
比较例3
取70重量份比较例1的复合材料(PPS/玻璃纤维＝80/20)与30重量份的石墨粉末，置入复合机台。上述混合物无法形成复合材料，因为加工时无法拉条，物性差难以加工。
比较例4
取65重量份的PET与35重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为113.9℃，且其导热性为2.33W/m·K。
比较例5
取60重量份的PET与40重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为105.0℃，且其导热性为0.80W/m·K。
比较例6
取小于60重量份的聚碳酸酯(PC)与大于40重量份的碳纤维，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为143℃，且其导热性为2.20W/m·K。
比较例7
取小于60重量份的聚己内酰胺(Nylon 6)与大于40重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为180℃，且其导热性为0.9W/m·K。
比较例8
取70重量份的PET及30重量份的石墨，置入复合机台后形成单一高分子的复合材料，其热变形温度为95.4℃，且其导热性为1.7W/m·K。
实施例1
取10重量份比较例1的复合材料(PPS/玻璃纤维＝80/20)、45重量份的PET、 与45重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为191.6℃，且其导热性为2.56W/m·K。
实施例2
取20重量份比较例1的复合材料(PPS/玻璃纤维＝80/20)、40重量份的PET、与40重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为196.8℃，且其导热性为2.43W/m·K。
实施例3
取30重量份比较例1的复合材料(PPS/玻璃纤维＝80/20)、35重量份的PET、与35重量份的石墨粉末，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为206.6℃，且其导热性为2.47W/m·K。
比较例1至4与实施例1至3的原料比例与性质如表1所示：
表1
实施例4
取30重量份比较例1的复合材料(PPS/玻璃纤维＝80/20)、35重量份的PET、与35重量份的碳纤维，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变 形温度(HDT)为161.4℃，且其导热性为1.34W/m·K。
比较例4至7与实施例3至4的原料比例与性质如表2所示：
表2
实施例5
依10重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与90重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为164.6℃，且其导热性为1.93W/m·K。
实施例6
依30重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为166.3℃，且其导热性为1.11W/m·K。
实施例7
依50重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与50重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取 PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为166.9℃，且其导热性为0.81W/m·K。
实施例8
依10重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与90重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为192.9℃，且其导热性为2.52W/m·K。
实施例9
依30重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为193.7℃，且其导热性为2.47W/m·K。
实施例10
依50重量份第一复合材料(90重量份的PPS及10重量份的玻璃纤维)与50重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为207.4℃，且其导热性为1.28W/m·K。
比较例8与实施例5至10的原料比例与性质如表3所示：
表3
实施例11
依10重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与90重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为174.2℃，且其导热性为1.98W/m·K。
实施例12
依30重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为190.7℃，且其导热性为1.09W/m·K。
实施例13
依50重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与50重量份的第二复合材料(70重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为191℃，且其导热性为0.98W/m·K。
实施例14
依10重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与90重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为191.6℃，且其导热性为2.56W/m·K。
实施例15
依30重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为206.6℃，且其导热性为2.43W/m·K。
实施例16
依50重量份第一复合材料(80重量份的PPS及20重量份的玻璃纤维)与50重量份的第二复合材料(50重量份的PET及50重量份的石墨)的比例称取PPS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为215.7℃，且其导热性为1.38W/m·K。
比较例8与实施例11至16的原料比例与性质如表4所示：
表4
由实施例与比较例可知，在具有相同碳材添加量的情况下，两相高分子的复合材料比单一高分子的复合材料的导热效率高及耐热性高。
实施例17
依30重量份第一复合材料(21重量份的ABS及9重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取ABS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为108.7℃，且其导热性为1.0W/m·K。
实施例18
依30重量份第一复合材料(25.5重量份的ABS及4.5重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取ABS、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为109.6℃，且其导热性为1.6W/m·K。
实施例19
依30重量份第一复合材料(21重量份的PBT及9重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PBT、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为179.2℃，且其导热性为1.9W/m·K。
实施例20
依30重量份第一复合材料(25.5重量份的PBT及4.5重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PBT、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为164℃，且其导热性为1.7W/m·K。
实施例21
依30重量份第一复合材料(21重量份的Nylon 6及9重量份的玻璃纤维) 与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取Nylon 6、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为202.8℃，且其导热性为1.7W/m·K。
实施例22
依30重量份第一复合材料(25.5重量份的Nylon 6及4.5重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取Nylon 6、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为200.4℃，且其导热性为1.6W/m·K。
实施例23
依30重量份第一复合材料(21重量份的Nylon 66及9重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取Nylon 66、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为220.8℃，且其导热性为1.8W/m·K。
实施例24
依30重量份第一复合材料(25.5重量份的Nylon 66及4.5重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取Nylon 66、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为172.7℃，且其导热性为1.7W/m·K。
实施例25
依30重量份第一复合材料(21重量份的PP及9重量份的玻璃纤维)与70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例称取PP、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为151.3℃，且其导热性为1.6W/m·K。
实施例26
依30重量份第一复合材料(25.5重量份的PP及4.5重量份的玻璃纤维)与 70重量份的第二复合材料(40重量份的PET及30重量份的石墨)的比例秤取PP、玻璃纤维、PET、及石墨后，置入复合机台后形成两相高分子的复合材料，其热变形温度(HDT)为136.7℃，且其导热性为1.7W/m·K。
比较例8与实施例17至28的原料比例与性质如表5所示：
表5
由实施例与比较例可知，在具有相同碳材添加量的情况下，两相高分子的复合材料比单一高分子的复合材料的导热效率高，或比单一高分子的复合材料的耐热性高。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种高导热复合材料，包括：
一第一复合材料，是一玻璃纤维分布于聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯、聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、或聚丙烯中；以及
一第二复合材料，是一碳材分布于一聚对苯二甲酸乙二酯中，其中所述第二复合材料中的聚对苯二甲酸乙二酯与碳材的重量比介于10:90至70:30之间，且其中所述碳材为石墨、石墨烯、碳纤维、纳米碳管、或上述的组合，
其中所述第一复合材料与所述第二复合材料为共连续且不兼容的两相型态，并且所述第一复合材料与所述第二复合材料的重量比介于1:9至3:7之间。
2.如权利要求1所述的高导热复合材料，其中所述第一复合材料中的玻璃纤维与聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯、聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、或聚丙烯的重量比介于10:90至40:60之间。
3.如权利要求1所述的高导热复合材料，其中所述聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯、聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、或聚丙烯的熔融指数介于70g/min至5000g/min之间。
4.如权利要求1所述的高导热复合材料，其中所述对苯二甲酸乙二酯的本征粘度介于0.4dL/g至2dL/g之间。
5.一种照明装置，包含：
一灯座；以及
一散热模组，配置在所述灯座上，其中所述散热模组是由权利要求1所述的高导热复合材料所形成。
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