CN103772988A - 高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法。高导热绝缘高分子复合材料由下列组分按重量份数组成：基体树脂35-70、复式碳化物10-45、纳米级氮化物2-4、微米级氮化物3-6、增强纤维3-8、弹性体1-5、相容剂0.5-5、偶联剂0.1-0.5、抗氧剂0.1-0.5。本发明还提供了高导热绝缘高分子复合材料制备方法，包括高分子合金的制备，导热填料的处理，导热母粒的制备。本发明的高导热绝缘高分子复合材料在保持复合材料力学的同时，提高导热绝缘性能。

Description

高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法。

背景技术

导热复合材料现有专利技术存在两个弊端。其一，导热率较高的复合材料由于添加的导热填料具有导电性，无法绝缘，必然限制其使用范围和技术推广，这是由于导热与导电机理的相似性造成的；其二，如果添加不导电的导热填料，使得复合材料的导热率偏低，即使大量添加也无法实现导热率的大幅提升，并且造成力学性能严重下降。

发明内容

本发明的目的旨在克服上述已有技术的不足，提供一种高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于由下列组分按重量份数组成：基体树脂35-70份、复式碳化物10-45份、纳米级氮化物2-4份、微米级氮化物3-6份、增强纤维3-8份、弹性体1-5份、相容剂0.5-5份、偶联剂0.1-0.5份、抗氧剂0.1-0.5份，所述基体树脂由尼龙和聚苯硫醚组成。

按重量比计，尼龙：聚苯硫醚=0.42:1-0.62:1。

上述所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙1010的一种或几种。

上述所述复式碳化物为碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末、碳化钽-碳化铌固溶体粉末中的一种或几种，所述纳米级氮化物为纳米氮化铝，所述微米级氮化物为氮化镁、氮化硅、氮化钛中的一种或几种复配。

上述所述增强纤维为玻璃纤维。

上述所述弹性体为POE、SBS、SEBS中的至少一种。

上述所述相容剂为POE-g-MAH、SBS-g-MAH、SEBS-g-MAH中的其中一种。

上述所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560(化学名称：γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)。

上述所述抗氧剂为抗氧剂445（化学名称：4,4’-双(α,α-二甲基芐基)二苯胺）和抗氧剂619（化学名称：二硬脂基季戊四醇二亚磷酸酯）两者复配。

上述所述复式碳化物平均粒径为2-4微米；纳米氮化铝平均粒径为40-50纳米；微米级氮化物平均粒径为1-50微米。

高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

2)将45%-67%聚苯硫醚与经步骤1）处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

3)将45%-56%尼龙与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

4)将剩余的尼龙和聚苯硫醚、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

5)将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

6)将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

7)将经步骤（6）所得的混合料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：通过选择合理的配方组份及含量，通过导热填料的表面处理、三种母粒的制备，改善了导热填料与基体的相容性。通过选择合适的粒径分布，充分发挥了三种粒径导热填料的协同效应，在提高导热率和绝缘性的同时，保持了复合材料良好的力学性能。

具体实施方式

为便于对本发明的进一步理解，以下结合具体实施例对本发明做详细描述。

以下实施例中，复式碳化物平均粒径为2-4微米；纳米氮化铝平均粒径为40-50纳米；微米级氮化物平均粒径为1-50微米。

实施例1

高导热绝缘高分子复合材料，由下列组分按重量份数组成：聚苯硫醚35.5份、PA6615份、复式碳化物35份，纳米氮化铝2份、微米级氮化物5份、玻璃纤维4份、POE2份、POE-g-MAH1份、偶联剂0.25份、抗氧剂0.3份，所述复式碳化物由碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末25份和碳化钽-碳化铌固溶体粉末10份组成，所述微米级氮化物由氮化镁2份、氮化硅2份、氮化钛1份组成。

实验操作步骤如下：

（1）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

（2）将聚苯硫醚18份与处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（3）将尼龙8份与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（4）将尼龙7份、聚苯硫醚17.5份、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（5）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

（6）将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

（7）将混好的原料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

所述挤出时使用的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，熔融挤出温度为260-340℃，主机频率35HZ，喂料频率10-15HZ，切粒机转速350-450r/min。

实施例2

高导热绝缘高分子复合材料，由下列组分按重量份数组成：聚苯硫醚40份、PA6618份、复式碳化物28.5份(碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末17份、碳化钽-碳化铌固溶体粉末8份)、纳米氮化铝3份、微米级氮化物3份(氮化镁1份、氮化硅1份、氮化钛1份)、玻璃纤维4份、POE2份、POE-g-MAH1份、偶联剂0.2份、抗氧剂0.3份。

实验操作步骤如下：

（1）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

（2）将聚苯硫醚20份与处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（3）将尼龙10份与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（4）将尼龙8份、聚苯硫醚20份、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（5）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

（6）将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

（7）将混好的原料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

所述挤出时使用的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，熔融挤出温度为260-340℃，主机频率35HZ，喂料频率10-15HZ，切粒机转速350-450r/min。

实施例3

高导热绝缘高分子复合材料，由下列组分按重量份数组成：聚苯硫醚30份、PA6618.5份、复式碳化物36份(碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末24份、碳化钽-碳化铌固溶体粉末12份)、纳米氮化铝2份、微米级氮化物6份(氮化镁2份、氮化硅2份、氮化钛2份)、玻璃纤维4份、POE2份、POE-g-MAH1份、偶联剂0.26份、抗氧剂0.3份。

实验操作步骤如下：

（1）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

（2）将聚苯硫醚20份与处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（3）将尼龙10份与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（4）将尼龙8.5份、聚苯硫醚10份、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（5）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

（6）将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

（7）将混好的原料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

所述挤出时使用的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，熔融挤出温度为260-340℃，主机频率35HZ，喂料频率10-15HZ，切粒机转速350-450r/min。

实施例4

高导热绝缘高分子复合材料，由下列组分按重量份数组成：聚苯硫醚40份、PA6620份、复式碳化物27.5份(碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末17份、碳化钽-碳化铌固溶体粉末10.5份)、纳米氮化铝2份、微米级氮化物3份(氮化镁1份、氮化硅1份、氮化钛1份)、玻璃纤维4份、POE2份、POE-g-MAH1份、偶联剂0.2份、抗氧剂0.3份。

实验操作步骤如下：

（1）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

（2）将聚苯硫醚20份与处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（3）将尼龙10份与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（4）将尼龙10份、聚苯硫醚20份、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（5）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

（6）将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

（7）将混好的原料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

所述挤出时使用的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，熔融挤出温度为260-340℃，主机频率35HZ，喂料频率10-15HZ，切粒机转速350-450r/min。

实施例5

高导热绝缘高分子复合材料，由下列组分按重量份数组成：聚苯硫醚43份、PA6622份、复式碳化物22.5份(碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末14份、碳化钽-碳化铌固溶体粉末8.5份)、纳米氮化铝2份、微米级氮化物3份(氮化镁1份、氮化硅1份、氮化钛1份)、玻璃纤维4份、POE2份、POE-g-MAH1份、偶联剂0.16份、抗氧剂0.3份。

实验操作步骤如下：

（1）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

（2）将聚苯硫醚20份与处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（3）将尼龙10份与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（4）将尼龙12份、聚苯硫醚23份、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

（5）将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

（6）将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

（7）将混好的原料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

所述挤出时使用的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，熔融挤出温度为260-340℃，主机频率35HZ，喂料频率10-15HZ，切粒机转速350-450r/min。

试样性能测试方法：

1、拉伸强度按GB/T1040-2006标准进行检验，拉伸速度为5mm/s；2、弯曲强度和弯曲模量按GB/T9341-2008标准进行检验。试样尺寸(mm)：(80士2)×(10士0.2)×(4士0.2)，弯曲速度为20mm/min；3、缺口冲击强度按GB/T1843-2008标准进行检验。试样尺寸(mm)：(80士2)×(10士0.2)×(4士0.2)，缺口底部半径(mm)0.25士0.05，缺口保留厚度(mm)8.0士0.2。4、热变形温度按GB/T1634-2004标准进行检验。施加的弯曲应力1.8MPa。5、燃烧性按UL94标准进行检验。6、体积电阻率按GB/T1410-2006标准进行测试。7、导热系数按ASTME1461-07方法进行测试。

实施例1-6的试样性能测试结果见表1。

表1试样测试性能对比

从实施例的导热系数可以看出，复式碳化物对高导热绝缘复合材料的导热系数的提升贡献最大。微米级导热填料与纳米级导热填料重量比为20:1（实施例1）时，两者尺寸效应充分发挥。复式碳化物与氮化物重量比为7:1（实施例1）时，两者的协同效应最优。

Claims (10)

1.高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于由下列组分按重量份数组成：基体树脂35-70份、复式碳化物10-45份、纳米级氮化物2-4份、微米级氮化物3-6份、增强纤维3-8份、弹性体1-5份、相容剂0.5-5份、偶联剂0.1-0.5份、抗氧剂0.1-0.5份，所述基体树脂由尼龙和聚苯硫醚组成。

2.根据权利要求1所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：按重量比计，尼龙：聚苯硫醚=0.42:1-0.62:1。

3.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复材料，其特征在于：所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙1010的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述复式碳化物为碳化钛-碳化钽-碳化钨固溶体粉末、碳化钽-碳化铌固溶体粉末中的一种或几种，所述纳米级氮化物为纳米氮化铝，所述微米级氮化物为氮化镁、氮化硅、氮化钛中的一种或几种复配。

5.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述增强纤维为玻璃纤维。

6.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述弹性体为POE、SBS、SEBS中的至少一种。

7.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述相容剂为POE-g-MAH、SBS-g-MAH、SEBS-g-MAH中的其中一种。

8.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560。

9.根据权利要求1或2所述的高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂445和抗氧剂619两者复配。

10.根据权利要求1至9任一所述的高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为复式碳化物总重量的0.6%；将复式碳化物用配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液浸泡5分钟，然后除去乙醇；

2)将45%-67%聚苯硫醚与经步骤1）处理后的复式碳化物通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

3)将45%-56%尼龙与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

4)将剩余的尼龙和聚苯硫醚、弹性体、相容剂通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒；

5)将偶联剂配制成2wt%偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氮化物总重量的0.6%；将纳米级氮化物、微米级氮化物、配制好的2wt%偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混和5分钟；

6)将步骤（2）所得母粒、步骤（3）所得母粒、步骤（4）所得母粒加入步骤（5）所得物料中，于高速混料机里混合25分钟；

7)将经步骤（6）所得的混合料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。