CN103450674B - 一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。该复合材料由尼龙6基体和纳米石墨烯组成，通过原位聚合所得母粒与纯尼龙6熔融共混密炼制得。本发明中使用的纳米氧化石墨烯具有高的径厚比，添加少量的纳米氧化石墨烯，经热还原后形成导热母粒就能在尼龙6中形成有效的石墨烯导热通路。而低的纳米氧化石墨烯导热填料的添加量和以母粒添加至纯尼龙6中密炼复合可使导热复合材料保持尼龙6自身的良好力学性能。本发明提供的高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料导热性能优异、制备工艺简单、成本低廉，可广泛应用于汽车、计算机、LED等的散热领域。

Description

一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，属于导热高分子复合材料领域。

背景技术

散热器在LED照明器件中起着至关重要的作用，它直接决定LED光源的性能和使用寿命。与传统的金属铝的LED散热器相比，导热高分子材料具有许多优势：（1）重量轻，高分子材料密度约为金属铝的一半（高分子材料密度1.4g·cm^-3，而金属铝的密度为2.7g·cm^-3）；（2）加工方便，可以用注射成型加工；（3）可以制作结构复杂的组件，提高设计自由度；（4）环保、可再生等。因此，新一代高导热的热塑性复合材料有望取代金属材料做LED散热器材料。

尼龙6是一种性能优异的热塑性工程塑料，具有优良的力学性能、较好的电性能以及耐磨、耐油、耐溶剂、自润滑、耐腐蚀和良好的加工性能等，广泛应用于汽车、电子电器、机械、航空航天等工业领域及日常生活中。然而，与其他高分子材料一样，尼龙6本身的结构特点决定了其为热的绝缘体，从而限制了其在导热材料领域中的应用。采用导热填料对尼龙6进行改性是提高尼龙6及其它高分子材料热导率的有效途径。目前常用作导热填料的BN、AlN、Si₃N₄和SiC等因其本身的热导率较低，而只有在高添加量下才能使复合材料获得较高的热导率，但这必然会降低尼龙6及其它高分子材料本身的其它性能。

石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料，具有高的热导率、高的比表面积和杨氏模量等优异性质。理论研究表明，单层石墨烯的室温热导率高达5300W·m^-1·K^-1，是目前已知的具有最高热导率的材料。这些独特的性质使石墨烯被视为一种高效的热界面、热控材料。作为一种新型的纳米导热填料，添加少量的石墨烯即可使高分子材料的导热性能得到很大的提高，同时还能保持高分子材料本身的其它性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料，该材料具备了石墨烯添加量低和导热性高的特点，并且具备良好的力学性能与加工性能。本发明的另一目的在于提供一种上述高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料，该复合材料的原料组成按重量份数计为：

1）尼龙6/石墨烯母粒1~50份

2）尼龙650~100份。

所述的尼龙6/石墨烯母粒是由1~20份氧化石墨烯、70~100份尼龙6单体、1~10份催化剂或引发剂经预混、预聚、聚合、出料、造粒、洗涤和干燥后得到。

所述的尼龙6为纯聚酰胺6。

所述的氧化石墨烯由粒径为10²~10⁴目的天然鳞片石墨经氧化、剥离后得到，径厚比为1000~9000。

所述的尼龙6单体为ε-己内酰胺。

所述的催化剂或引发剂为6-氨基己酸或磷酸。

一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的制备方法，用于制备上述的高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料，包括如下步骤：

（1）以天然鳞片石墨为原料，制备氧化石墨烯；

（2）将氧化石墨烯、尼龙6单体与催化剂或引发剂混合，并在50~85℃下超声分散1~4小时，形成预混物；

（3）将预混物真空干燥1~3小时后，在160~200℃和氮气保护下预聚合1~4小时，形成预聚物；

（4）将预聚物在240~260℃和氮气保护下聚合4~10小时，并在聚合结束前的1~3小时进行减压脱除小分子操作，体系内部保持真空；

（5）在氮气保护下出料，经过造粒、洗涤和干燥后，即得尼龙6/石墨烯母粒；

（6）将尼龙6/石墨烯母粒与尼龙6在240~260℃的密炼机中熔融共混密炼复合1~4小时，出料后即得高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

本发明的尼龙6/石墨烯纳米复合材料中添加的氧化石墨烯具有高的径厚比，且经过聚合过程中发生的热还原反应，使石墨烯的二维导热结构及其相应的高热导率、高比表面积、高杨氏模量等优异性能均得以恢复，因此添加较少量的氧化石墨烯就能在尼龙6基体中形成有效的石墨烯导热网络。而低的纳米氧化石墨烯导热填料的添加量和以导热母粒的形式添加至纯尼龙6基体中的方法，可使导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料保持聚合物自身的良好力学性能。本发明所提供的导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料不仅具有优异的导热性能，而且其制备工艺简单、成本低廉，可广泛应用于汽车、计算机、LED等的散热领域。

附图说明

图1为本发明实施例中高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的原料配方。

图2为本发明实施例中热压用模具的立体分解结构示意图。

图3为用于热导率测试的样品立体外形示意图。

图4为不同氧化石墨烯添加量的高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的热物理性能。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步地描述。

一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

氧化石墨烯的制备：

取有10重量份天然鳞片石墨的1000ml三口瓶置于冰浴中，滴加400重量份98%浓硫酸，持续搅拌下缓慢加入30重量份高锰酸钾，并防止混合液温度超过20℃，维持2小时。移去冰浴，将混合液置于35℃水浴中恒温2小时。用600重量份去离子水稀释混合液，并使混合液温度不高于90℃，维持15分钟。再用900重量份去离子水稀释混合液，加入60重量份30%过氧化氢并趁热过滤。用500重量份1:10盐酸洗涤过滤物，并用1500重量份去离子水将过滤物洗至中性。将样品分散于500重量份去离子水中，室温下超声2~4小时后过滤，即得到充分剥离的氧化石墨烯。

高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的制备：

将20重量份氧化石墨烯、75重量份ε-己内酰胺、5重量份6-氨基己酸混合，80℃下超声分散3小时，形成预混物。将预混物真空干燥2小时，在180℃和氮气保护下预聚合2小时。然后在250℃和氮气保护下聚合5小时，最后在氮气保护下出料，经造粒、洗涤和干燥后即得尼龙6/石墨烯母粒。再将尼龙6/石墨烯母粒与纯尼龙6按图1中的配方进行配料，于250℃的密炼机中熔融共混密炼复合3小时，出料后即得不同氧化石墨烯添加量的高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料。

将经干燥处理的高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料均匀地放入带有直径12.5mm圆孔b1的不锈钢模板b中（该不锈钢模具尺寸为100mm×100mm×1.5mm，参见图2），上下两面盖上不锈钢钢片a和c，然后在220~260℃、10~20MPa压力下热压10~30min即可得到高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料圆片成品，如图3所示。

导热系数的测定：采用德国耐驰仪器制造有限公司的激光导热系数仪（NETZSCHLFA447）测定样品的热导率。测试前，在样品表面喷涂一层石墨以减少样品对激光的散射，每个温度点重复测量三次，取其平均值作为最终结果，如图4所示。

Claims (1)

1.一种高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料的制备方法，该复合材料的原料组成按重量份数计为：

1）尼龙6/石墨烯母粒1~50份

2）尼龙650~100份；

所述的尼龙6/石墨烯母粒是由1~20份氧化石墨烯、70~100份尼龙6单体、1~10份催化剂或引发剂经预混、预聚、聚合、出料、造粒、洗涤和干燥后得到，其中所述的尼龙6单体为ε-己内酰胺，所述的氧化石墨烯由粒径为10²~10⁴目的天然鳞片石墨经氧化、剥离后得到，径厚比为1000~9000，所述的催化剂或引发剂为6-氨基己酸或磷酸；

所述的尼龙6为纯聚酰胺6；

其特征在于，包括如下步骤：

（1）以天然鳞片石墨为原料，制备氧化石墨烯；

（2）将氧化石墨烯、尼龙6单体与催化剂或引发剂混合，并在50~85℃下超声分散1~4小时，形成预混物；

（3）将预混物真空干燥1~3小时后，在160~200℃和氮气保护下预聚合1~4小时，形成预聚物；

（4）将预聚物在240~260℃和氮气保护下聚合4~10小时，并在聚合结束前的1~3小时进行减压脱除小分子操作，体系内部保持真空；

（5）在氮气保护下出料，经过造粒、洗涤和干燥后，即得尼龙6/石墨烯母粒；

（6）将尼龙6/石墨烯母粒与尼龙6在240~260℃的密炼机中熔融共混密炼复合1~4小时，出料后即得高导热尼龙6/石墨烯纳米复合材料。