CN103224692A - 填充型聚合物基导热塑料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填充型聚合物基导热塑料及其制备方法，其各种原料的质量百分数为：基体树脂60-80％、导热填料3-40％、增韧剂5-10％、偶联剂1-2％、抗氧剂0.1-0.5％、润滑剂0.2-1.5％。其制备方法，利用熔融共混挤出法制备。其导热系数高，加工成型方便，产品设计自由度高。

Description

填充型聚合物基导热塑料及其制备方法

技术领域

本发明属于化学材料技术领域，具体涉及一种填充型聚合物基导热塑料及其制备方法。

背景技术

金属由于其导热性能优异，被广泛使用于散热用途，但金属导热物质也存在着很多问题，如重量大、不耐腐蚀等。而导热塑料则可克服金属的缺点，且容易加工成型，同时具有更低的成本及产品设计自由度高。

为了获得高热传导率的塑料，现有的专利技术着重于对填料的选择以及表面改性等方面。通常的手法为添加高热导率的填料，例如在高长径比的碳纤维和氮化硼中加入高密度的金属、金属氧化物作为导热填料(ZL99815810.0)；以陶瓷纤维或石墨或炭黑或碳纤维或金属粉组合作为填料(ZL02112481.7)；以金属氧化物、碳化硅等作为填料(ZL200510101700.0)。

热传导过程采取扩散形式，但各种材料的导热机理是不同的。固体内部的导热载体分别为电子、声子(点阵波)、光子(电磁辐射)三种。对聚合物而言，通常为饱和体系，无自由电子，导热载体为声子，热传导主要依靠晶格振动。聚合物相对分子质量很大，具有多分散性，分子链则以无规则缠结方式存在，难以完全结晶，再加上分子链的振动对声子有散射作用，使聚合物材料的热导率很小。

发明内容

本发明的目的是提出一种导热塑料及其制备方法，克服了现有导热材料导热系数低、加工成型难、成本高的问题，其导热系数高，加工成型方便，产品设计自由度高。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂60-80％、导热填料3-40％、增韧剂5-10％、偶联剂1-2％、抗氧剂0.1-0.5％、润滑剂0.2-1.5％。

优选地，其各种原料的质量百分数为：基体树脂65-75％、导热填料15-25％、增韧剂7-8％、偶联剂1-2％、抗氧剂0.2-0.4％、润滑剂0.6-1％。

优选地，其各种原料的质量百分数为：基体树脂70％、导热填料20％、增韧剂7.5％、偶联剂1.5％、抗氧剂0.3％、润滑剂0.7％。

优选地，所述的基体树脂选自环氧树脂、聚碳酸树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种。

优选地，所述的导热填料为金属、石墨、金属氧化物、金属氮化物、碳粉及碳化物中的一种；其中：

所述的金属为Al、Fe或Gu；

所述的金属氧化物为MgO、Al₂O₃、GaO、TiO₂、ZnO或SiO₂；

所述的金属氮化物为AlN、Si₃N₄或BN；

所述的碳粉及碳化物为纤维状或鳞片状高导热碳粉及SiC或B₄C₃。

优选地，所述的增韧剂为SEBS-g-MA(TRD-368SE、FG1901X、MD6670)、POE-g-MA(MG-801、TRD-200P、HD800E)、ABS-g-MA(SWJ-2A、TRD-400、C-410)、KT-22中的一种。

优选地，所述的偶联剂为硅烷偶联剂(A-168、A-167)、钛酸酯偶联剂(TTS、TMC-931)、铝酸酯偶联剂(SG-A1821、DL-411AF)、硬脂酸中的一种。

优选地，所述的抗氧剂为1010、1098、168、ST-3610、P262、B-1036中的一种。

优选地，所述的润滑剂为PETS、脂肪酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硅铜粉中的一种。

一种所述的填充型聚合物基导热塑料，利用熔融共混挤出法制备，其步骤包括：

S1、将各种原料经热风循环干燥进行水分预处理，避免加工时水分极其敏感的材料的降解及塑料的各项性能指标的恶化；

S2、以质量分数计，将3-40％的导热填料加入到高速混合机当中，然后加入1-2％的偶联剂，混合均匀制得导热混合料；

S3、将步骤S2中的导热混合料、60-80％的基体树脂和5-10％的增韧剂加入到高速混合机中，然后加入0.1-0.5％的抗氧剂和0.2-1.5％的润滑剂，混合均匀；

S4、将S3步骤中混合均匀的物料加入到双螺杆挤出机，经熔融挤出、造粒得到导热塑料。

名称解释：

SEBS-g-MA：氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物与马来酸酐的接枝物。

POE-g-MA：马来酸酐接枝乙烯-辛烯嵌段共聚物。

ABS-g-MA：马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物。

PETS：季戊四醇硬脂酸酯。

KT-22：丙烯酸酯与缩水甘油酯双官能化乙烯类弹性体。

本发明所述的填充型聚合物基导热塑料及其制备方法的有益效果是：导热系数高、双螺杆挤出造粒，加工成型方便，产品设计自由度高。将不同种类的填料按一定比例配合使用，当出现正向协同的混杂效应时，填料结构对导热能力的增强作用显著，复合材料会拥有比单一填料填充更优良的导热性能，提出了产生正向协同效应的条件。

具体实施方式

下面对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。

实施例1：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂70％、导热填料20％、增韧剂7.5％、偶联剂1.5％、抗氧剂0.3％、润滑剂0.7％。

实施例2：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂60％、导热填料28.7％、增韧剂10％、偶联剂1％、抗氧剂0.1％、润滑剂0.2％。

实施例3：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂80％、导热填料11％、增韧剂5％、偶联剂2％、抗氧剂0.5％、润滑剂1.5％。

实施例4：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂80％、导热填料10％、增韧剂7％、偶联剂1％、抗氧剂0.5％、润滑剂1.5％。

实施例5：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂61％、导热填料30％、增韧剂5％、偶联剂2％、抗氧剂0.5％、润滑剂1.5％。

实施例6：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂65％、导热填料24％、增韧剂8％、偶联剂2％、抗氧剂0.4％、润滑剂0.6％。

实施例7：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂75％、导热填料15.8％、增韧剂7％、偶联剂1％、抗氧剂0.2％、润滑剂1％。

实施例8：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂75％、导热填料15％、增韧剂8％、偶联剂1％、抗氧剂0.4％、润滑剂0.6％。

实施例9：

一种填充型聚合物基导热塑料，其各种原料的质量百分数为：基体树脂66％、导热填料25％、增韧剂7％、偶联剂1％、抗氧剂0.4％、润滑剂0.6％。

上述实施例中，所述的基体树脂选自环氧树脂、聚碳酸树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种。

上述实施例中，所述的导热填料为金属、石墨、金属氧化物、金属氮化物、碳粉及碳化物中的一种；其中：

所述的金属为Al、Fe或Gu；

所述的金属氧化物为MgO、Al₂O₃、GaO、TiO₂、ZnO或SiO₂；

所述的金属氮化物为AlN、Si₃N₄或BN；

所述的碳粉及碳化物为纤维状或鳞片状高导热碳粉及SiC或B₄C₃。

上述实施例中，所述的增韧剂为SEBS-g-MA、POE-g-MA、ABS-g-MA、KT-22中的一种。上述实施例中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸中的一种。

上述实施例中，所述的抗氧剂为1010、1098、168、ST-3610、P262、B-1036中的一种。

上述实施例中，所述的润滑剂为PETS、脂肪酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硅铜粉中的一种。

其制备方法，利用熔融共混挤出法制备，步骤包括：

S1、将各种原料在鼓风干燥箱中经热风循环干燥，将水份含量控制在0.5‰以下；

S2、以质量分数计，将3-40％的导热填料加入到高速混合机中，在搅拌的同时加入1-2％的偶联剂，混合10min，具体改性效果视实际情况而定；

S3、将步骤S2中的导热混合料、60-80％的基体树脂和5-10％的增韧剂加入高速混合机中，然后加入0.1-0.5％的抗氧剂和0.2-1.5％的润滑剂，高速搅拌使其混合均匀。

S4、将S3步骤中混合均匀的物料经同向双螺杆挤出机熔融挤出、经水冷牵引至切粒机造粒，得到导热塑料粒料。

对上述实施例所得导热塑料进行性能测试，结果如表一。

表一，性能测试表

从上述实施例以及更多的实施例中得出，本发明的导热塑料的性能优异，绝缘击穿电压均大于6000Vac，导热系数在1.8W/m.k以上。本发明着重于混杂填料，和单一填料相比而言，混杂填料对提高热导率的作用更为明显。在填充量低于50％时，混杂填料的正向协同作用占据着主导作用，填料结构对导热能力的增强作用显著；但当填充量大于50％时，混杂填料的正向协同作用不再明显，过度填充的填料会形成大量的导热路径，因而填料结构的影响就不再明显，当导热网链的取向方向与热流方向不一致时，则会造成在热流方向上热阻过大，导致材料导热性能很差。我们认为，实施例1石墨和氧化镁混合物各组分达到最佳配比时，混杂填料在树脂基体内的堆砌程度达到最大，达到正向协同效应产生的条件，因而热导率提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：其各种原料的质量百分数为：基体树脂60-80％、导热填料10-30％、增韧剂5-10％、偶联剂1-2％、抗氧剂0.1-0.5％、润滑剂0.2-1.5％。

2.根据权利要求1所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：其各种原料的质量百分数为：基体树脂65-75％、导热填料15-25％、增韧剂7-8％、偶联剂1-2％、抗氧剂0.2-0.4％、润滑剂0.6-1％。

3.根据权利要求2所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：其各种原料的质量百分数为：基体树脂70％、导热填料20％、增韧剂7.5％、偶联剂1.5％、抗氧剂0.3％、润滑剂0.7％。

4.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的基体树脂选自环氧树脂、聚碳酸树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种。

5.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的导热填料为金属、石墨、金属氧化物、金属氮化物、碳粉及碳化物中的一种；其中：

所述的金属为Al、Fe或Gu；

所述的金属氧化物为MgO、Al₂O₃、GaO、TiO₂、ZnO或SiO₂；

所述的金属氮化物为AlN、Si₃N₄或BN；

所述的碳粉及碳化物为纤维状或鳞片状高导热碳粉及SiC或B₄C₃。

6.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的增韧剂为SEBS-g-MA、POE-g-MA、ABS-g-MA、KT-22中的一种。

7.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸中的一种。

8.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的抗氧剂为1010、1098、168、ST-3610、P262、B-1036中的一种。

9.根据权利要求3所述的填充型聚合物基导热塑料，其特征在于：所述的润滑剂为PETS、脂肪酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硅铜粉中的一种。

10.一种根据权利要求1～9所述任意一项所述的填充型聚合物基导热塑料的制备方法，其特征在于：利用熔融共混挤出法制备，其步骤包括：

S1、将各种原料在鼓风干燥箱中经热风循环干燥，将水份含量控制在0.5‰以下；

S2、以质量分数计，将3-40％的导热填料加入到高速混合机中，在搅拌的同时加入1-2％的偶联剂，混合10min，具体改性效果视实际情况而定；

S3、将步骤S2中的导热混合料、60-80％的基体树脂和5-10％的增韧剂加入高速混合机中，然后加入0.1-0.5％的抗氧剂和0.2-1.5％的润滑剂，高速搅拌使其混合均匀。

S4、将S3步骤中混合均匀的物料经同向双螺杆挤出机熔融挤出、经水冷牵引至切粒机造粒，得到导热塑料粒料。