CN103613923A - 高导热尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热尼龙复合材料及其制备方法。高导热尼龙复合材料属于功能高分子的一种。该复合材料由热塑性尼龙树脂基体、导热填料以及其它加工助剂制成，其导热系数大于2.7W/m·K。树脂基体可由尼龙6或尼龙6与尼龙9、尼龙66、尼龙610、尼龙1010的复合物；导热填料用氧化镁、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅、多壁碳纳米管以及石墨片层中的一种或几种；加工助剂可用硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡、液体石蜡等。本方法操作简单，成本低廉，一步即可制备综合性能优良的导热复合材料，易于实现工业化生产，可广泛应用于汽车，家用电器、仪表外壳、电路元件等领域。

Description

高导热尼龙复合材料及其制备方法

技术领域

本发明公开了高导热尼龙复合材料及其制备方法，简单实用，工业价值高，应用前景广阔。所制备的复合材料具有较高的热导率，可广泛应用于汽车、家用电器、仪表外壳、电路元件等领域。

背景技术

随着科技的迅猛发展，只具备一定结构性能的高分子材料已不能够满足人们日常生活的需要了，高分子基复合材料由于质轻、易加工、高弹性、抗腐蚀、耐磨损且制备简单、易于工业化等优点已经备受人们的关注。与金属材料相比，高分子材料都是热的不良导体。因此研究高导热、低填充，质量轻的高分子基导热复合材料已成为各国研究的重点，也是我国近年来日益重视的话题之一。

导热高分子复合材料是由热的不良导体-有机高分子和导热填料以一定的方式加工而成的功能性复合材料。常用的导热填料可分为两大类--导热绝缘填料和导热非绝缘填料。其中导热绝缘填料有：①无机粒子，如氧化铝、氧化镁、氧化锌等；②金属氮化物，如氮化铝、氮化硅等；导热非绝缘填料有：①金属填料，如铝粉、铜粉等；②金炭基填料，如石墨、碳纤维、碳纳米管等。

其中，无机粒子由于来源广泛、价格低廉、热导率较高等优点可以满足一般高分子导热材料的要求而在导热聚合物中得到广泛应用。但是，为得到热导率的聚合物，导热填料的填充分数一般较大，往往导致聚合物复合材料韧性的下降。因此，降低导热填料的填充量、根据要求制备绝缘/抗静电/导电的高导热聚合物复合材料成为导热高分子复合材料的主要发展方向。

目前，降低导热填料填充量的最常用方法是使用不同填料进行夹杂，使不同形状的填料之间发挥协同作用以便有效提高填料的利用效率。通常，当添加相同含量的导热填料时，这种方法往往能有效提高复合材料的热导率而且对复合材料的力学性能影响较小。

自20世纪30年代，美国杜邦公司将尼龙开发并实现工业化以来，尼龙在各国的市场中始终是最具与竞争力的工程塑料品种之一，广泛应用于电子设备、耐磨材料、汽车、及工众多工业领域。但是，与金属相比，尼龙作为高分子聚合物最大的缺点就是热导率低，散热性能差，这在很大程度上限制了其在工业领域的进一步应用。目前，提高聚合物复合材料最常应用的方式就是采用填充法，利用一些高热导率的填充物来改善高分子材料的导热性能，不仅相对成本低，而且操作简单方便，易于实现工业化生产。

有很多文献报道了将导热填料填充高分子材料才提高其导热性能的文献。例如，赵红振在04年特种橡胶制品上，以粒径为20μm的氧化铝填充导热硅胶，成功制备除了体系热导率高达0.9W/m·K的导热硅胶体系；马等在2011年Materials Chemistry and Physics上曾采用片状氮化硼和多壁碳纳米协同使用，制备导热性能良好的环氧树脂，结果发现1vol%多壁碳纳米管的加入即可使氮化硼/聚合物复合材料的热导率得到极大的提高。因此，在后续的研究中，为了进一步降低导热复合材料的填充量，学者们多采用不同粒径，不同形状的导热填料复配使用，以获得综合性能良好的导热复合材料，应用价值更高，工业契合度更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服目前技术的不足之处，提供一种低成本、可根据应用要求控制导电性能，而且易实现大规模工业化生产的高导热尼龙复合材料及其制备工艺。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：

高导热尼龙复合材料及其制备方法，其特征在于按如下步骤进行，将干燥后的重量百分比为50～20%的聚合物基体，40～70%的无机粒子导热填料，1～10%的炭基导热填料，0.5～2%的抗氧剂，1～3%的加工助剂混合后加入高分子材料加工设备熔融混炼，完成造粒。

本发明所述的聚合物基体选自尼龙6、尼龙9、尼龙11、尼龙12、尼龙46、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙1010、尼龙1111、尼龙1212。

所述的无机粒子导热填料为氧化镁、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅一种或几种；炭基导热填料为多壁碳纳米管，天然石墨片、石墨烯颗粒中的一种或几种。

且以无机粒子为主要填料，复配以少量的炭基填料。

本发明所述的加工助剂为硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡以及液体石蜡中的一种或几种。

本发明所述的高分子材料加工设备采用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、双辊开炼机、密炼机或压延机。

本发明采用无机粒子填料来获得导热高分子复合材料，同时加入少量炭基填料来与之协同使用，通过一步法利用常见的高分子加工设备来制备高导热尼龙复合材料。另外，炭基填料和无机粒子填料之间的复配不仅对体系的热导率起到了非常正面的影响，同时，无机粒子填料对炭基填料还起到了体积排除效果，比相同炭基填料填充分数下的体系电导率可提高10个数量级。因此，本发明的优点和突出效果表现为：

（1）材料的导热性能比相同填充分数下尼龙6与无机粒子的二元复合材料的热导率均有明显提高；

（2）材料的力学性能得以保持；

（3）一步法即可生产的制备工艺，有利于企业实现大规模工业化生产；

（4）原料来源广泛，价格低廉。

具体实施方式

下面通过几个实施例对本发明进行具体的描述，但本发明的技术范围不限于这些实施例。实施例和比较例中所得材料导热性能、导电性能以及力学性能的测试。

实施例1：

称取干燥后的PA6切片350g，氧化铝650g，抗氧剂1010/168（按1:1的配比）5g，天然石墨片层10g，加入10ml液体石蜡混合均匀后直接加入长径比为25的双螺杆挤出机中，在245/255/260/260/255℃温度下熔融混炼，挤出造粒，过程控制螺杆转速62r/min。粒料干燥后注塑成测试样品，注塑温度为245/255/260/260/255℃，注射压力80MPa，模具温度80℃。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例2：

实施方法如实施例1相同，将天然石墨片层改为20g，其它组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例3：

实施方法如实施例1相同，将天然石墨片层改为50g，其它组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例4

实施方法如实施例1相同，将天然石墨片层10g改为多壁碳纳米管30g，其它组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例5：

实施方法和实施例1相同，将尼龙6改为尼龙66切片350g，其他组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例6：

实施方法和实施例1相同，将氧化铝650g改为氧化铝和氮化铝复合填料650g，其他组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例7：

实施方法和实施例1相同，将10ml液体石蜡改为10g硬脂酸酰胺，其他组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

实施例8：

称取干燥后的PA6切片350g，氧化铝650g，抗氧剂1010/168（按1:1的配比）5g，天然石墨片层10g，加入10ml液体石蜡混合均匀后加入双辊开炼机进行混炼，混炼温度为245℃，混炼时间为15min。混炼后的胶料在260℃的条件下不加压预热20min，然后在25MPa压力下热压10min，制得测试样品。所得复合材料性能测试结果见表1。

比较例1：

实施方法和实施例1相同，PA6切片350g，氧化铝650g，抗氧剂5g，10ml液体石蜡，不加天然石墨。所得复合材料性能测试结果见表1。

比较例2：

实施方法和实施例1相同，将PA6切片改为PA66切片350g，不加天然石墨，其它组分和质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

比较例3：

实施方法和实施例1相同，将氧化铝650g改为氧化铝和氮化铝复合填料650g，不加天然石墨，其它组分和质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

比较例4：

实施方法和实施例1相同，将10ml液体石蜡改为10g硬脂酸酰胺，不加天然石墨，其他组分及质量不变。所得复合材料性能测试结果见表1。

表1复合材料性能测试结果

Claims (6)

1.高导热尼龙复合材料，其特征在于所述复合材料由以下重量百分比的原材料配制而成：

2.按照权利要求1中所述的高导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行，将干燥后的重量百分比为：50～20%的聚合物树脂基体，40～70%的无机粒子导热填料，1～10%的炭基导热填料，0.5～2%的抗氧剂，1～3%的加工助剂混合后加入高分子材料加工设备熔融混炼，完成造粒。

3.按照权利要求1中所述的高导热尼龙复合材料，其特征在于，所述的聚合物树脂基体选自尼龙6、尼龙9、尼龙11、尼龙12、尼龙46、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙1010、尼龙1111或尼龙1212。

4.按照权利要求1中所述的高导热尼龙复合材料，其特征在于，所述的无机粒子导热填料为氧化镁、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅一种或几种；炭基导热填料为多壁碳纳米管，天然石墨片、石墨烯颗粒中的一种或几种。

5.按照权利要求1中所述的高导热尼龙复合材料，其特征在于，所采用的加工助剂为硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡、液体石蜡中的一种或几种。

6.按照权利要求2中所述的高导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，上述的高分子材料加工设备采用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、双辊开炼机、密炼机或压延机。