CN103819498A - 一种封闭异氰酸酯偶联剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于导热填料表面处理的封闭异氰酸酯偶联剂和导热绝缘尼龙复合材料。该偶联剂处理导热填料时,封闭异氰酸酯基团不解封,与导热填料表面产生化学键合或者物理吸附作用,而在熔融加工过程中会解封成异氰酸酯基团,与尼龙分子链端上的氨基或者羧基发生化学反应。导热绝缘尼龙复合材料包括:尼龙100份,改性导热绝缘填25-400份,增韧剂5-25份,添加剂1-10份;将上述物质加入高速混合机中混合,然后挤出制得导热绝缘尼龙复合材料。该封闭异氰酸酯偶联剂用于尼龙基体中,能够明显改善填料在尼龙中分散性;同时起到扩链作用,使复合材料的热导率达到使用要求的同时,物理机械性能也不会大幅下降,满足实际使用需求。
Description
技术领域
本发明属于树脂基导热复合材料领域,具体涉及一种封闭异氰酸酯偶联剂及其在处理导热绝缘填料以及在导热绝缘尼龙复合材料中的应用。
背景技术
尼龙(聚酰胺)是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂的总称,分子结构规整,是一种高结晶性及综合性能良好的工程塑料,广泛应用于电子、电器、汽车、机械等领域。目前随着电子电气设备的高性能化、汽车的小型化、机械设备轻量化的进程加快,对尼龙的需求将加大。特别是尼龙用作结构性材料时,对其强度、导热性能、耐热性等方面提出了很高的要求。但其本身导热系数较小,限制了其在电子电器散热器件方面的应用,目前通常采用填充高导热性绝缘填料来制备综合性能优良的导热绝缘尼龙复合材料。
由于填充尼龙材料的导热性能主要依赖于导热填料的导热系数、导热填料在尼龙基体的分散以及与尼龙基体的相互作用。为了获得高导热系数的尼龙复合材料,必须增加导热填料的添加量,使填料间形成接触和相互作用,体系内形成导热网链结构。但是随着导热填料添加量的增大,尼龙复合材料的物理机械性能却降低;且由于无机表面亲水,使其在尼龙基体中难以润湿和分散,而且其表面存在羟基,表面能较大,填料总是倾向于团聚,目前普遍使用偶联剂对导热填料进行表面改性处理。如林晓丹等通过尼龙66与大粒径MgO共混挤出制备了导热绝缘尼龙塑料,采用KH-560对MgO表面进行改性处理,MgO添加量为70%时,复合材料的热导率达到1.90W/(m·K),但是拉伸强度和弯曲强度却分别降至41.4MPa和70.61 MPa,缺口冲击强度也降至3.3kJ/m2,复合材料的物理机械性能不能满足特殊领域的实际使用需求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种适用于尼龙基体、用于导热填料表面处理的封闭异氰酸酯偶联剂及其在导热绝缘尼龙复合材料中的应用。
本发明的一种用于导热填料表面处理的封闭异氰酸酯偶联剂,其分子结构如下:
其中,R’为甲基或者乙基;R’’为甲基或者乙基。
本发明的的封闭异氰酸酯偶联剂的合成方法,其是向异氰酸酯偶联剂的甲苯溶液中滴加封端剂,滴加过程控制反应温度不超过40℃,滴加时间为0.2-0.8h;滴加完毕后恒温0.2-0.8h,再升至75-85℃反应4-5h,冷却至室温,蒸除溶剂,得到封闭异氰酸酯偶联剂;所述的封端剂为甲乙酮肟或丙酮肟;所述的异氰酸酯偶联剂为异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷或者异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷。
上述封端剂和异氰酸酯偶联剂的摩尔比优选为1-1.2:1。
本发明的封闭异氰酸酯偶联剂在处理导热填料中的应用,其是采用下述方法:
(1)将导热填料加入到高速混合机中,高速混合机温度设置为75-85℃;所述导热填料为1-40μm Al2O3、1-10μmZnO、40-325目MgO、1-10μm AlN、1-10μm BN、1-10μmSiC中的一种或几种的复配;
(2)配制封闭异氰酸酯偶联剂的水解溶液;所述水解溶液中,封闭异氰酸酯偶联剂、醇与水的质量配比为15%-25%:70%-75%:5%-10%;
(3)将步骤(2)所得的水解溶液喷洒到步骤(1)的导热填料上,并加热混合10-30分钟;
(4)将处理后的导热填料于75-85℃烘干,得改性导热绝缘填料。
其中,步骤(2)所述封闭异氰酸酯偶联剂的用量优选为导热填料质量的0.5%-3%,更优选为0.5%-1%。
上述所得改性导热绝缘填料在制备导热绝缘尼龙复合材料中的应用,所述导热绝缘尼龙复合材料中包括以下质量份的原料:
尼龙 100份
权利要求4所得改性导热绝缘填料 25-400份
增韧剂 5-25份
添加剂 1-10份
所述尼龙为尼龙6或尼龙66或尼龙1010。
所述增韧剂为聚乙烯接枝马来酸酐或POE接枝马来酸酐。
所述添加剂可以为尼龙复合材料生产中常用的抗氧剂以及颜料等,如抗氧剂可以为抗氧剂1010、抗氧剂1076等。
所述导热绝缘尼龙复合材料的采用下述方法制备:将上述原料放入高速混合机中高速混合均匀,然后投入挤出机挤出造粒,制得导热绝缘尼龙复合材料;其中挤出机各段挤出温度分别为180-220℃、200-245℃、200-255℃、210-260℃、220-265℃、210-260℃、200-260℃。
本发明所得封闭异氰酸酯偶联剂在表面处理导热填料过程中,封闭异氰酸酯基团不解封,因此不与水、醇以及填料表面羟基等活泼氢发生反应,其甲氧基或者乙氧基会水解成羟基,与导热填料表面产生化学键合或者物理吸附作用;而在熔融加工过程中,封闭异氰酸酯基团会解封成异氰酸酯基团,该异氰酸酯基团可以与尼龙分子链端的氨基或者羧基发生化学反应,且反应性强。该封闭异氰酸酯偶联剂用于导热绝缘尼龙材料中,一方面,导热填料表面被改性后,其表面由亲水性变成疏水性,极大地提高了与尼龙基体的相容性,改善导热填料在尼龙基体中的分散状态;另一方面,导热填料被处理后,当其表面被两个或多个偶联剂连接时,在尼龙的熔融加工过程中,每个偶联剂上的异氰酸酯基团都可以与链端的氨基或者羧基发生化学反应,从而将两条或者多条聚合物分子链连接起来,提高尼龙分子量,起到扩链的作用。因此,增大导热填料添加量,使复合材料的热导率达到使用要求的同时,物理机械性能也不会大幅下降,满足实际使用需求。
本发明具有以下特点和优点:该封闭异氰酸酯偶联剂表面处理导热填料后,不仅有效地实现导热填料在尼龙中的良好分散;而且在熔融加工过程中可以与尼龙链端的氨基或者羧基反应,且反应性强,对尼龙树脂起到扩链作用;使得增大导热填料添加量,复合材料的热导率达到使用要求的同时,物理机械性能也不会大幅下降,能满足实际使用需求。
附图说明
图1为甲乙酮肟封闭异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷红外谱图;
图2为甲乙酮肟封闭异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷红外谱图;
图3为丙酮肟封闭异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷红外谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应该理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域的普通技术人员根据本发明做出的任何基于本发明实质精神的改进或调整,仍属于本发明的保护范围。
实施例1
称取15g异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷,用25ml无水甲苯稀释后加入到250ml三口烧瓶中,再称取6.3396g甲乙酮肟用25ml无水甲苯溶解后转入恒压漏斗中,滴加甲乙酮肟,滴加过程控制反应温度不超过40℃,滴加时间为0.5h;滴加完毕后恒温0.5h,再升至80℃反应4h,冷却至室温,蒸除溶剂,得到甲乙酮肟封闭异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷偶联剂。如图1,甲乙酮肟封闭异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷红外数据:波数2274cm-1处-NCO特征吸收峰消失,1730cm-1处出现-NHCOO中羰基吸收峰,3351cm-1 出现-NH特殊吸收峰,1382、1443cm-1分别为-CH3和-CH2弯曲吸收峰,2976、2928、2885cm-1为-CH3和-CH2伸缩吸收峰,1082 cm-1和796cm-1为Si-O键吸收峰。
称量1000g Al2O3(8-12μm)加入到高速混合机里,取导热填料质量1%的偶联剂,按偶联剂(20%)、醇(72%)、水(8%)把上述甲乙酮肟封闭异氰酸酯偶联剂配成水解溶液并分3次喷洒在Al2O3上,于80℃加热混合30分钟,处理后的Al2O3于80℃烘干,得到改性Al2O3。
将尼龙6(PA6)在105℃下干燥6h,将100份上述干燥的尼龙6(PA6)、100份上述制得的改性Al2O3、10份POE接枝马来酸酐和1份抗氧剂1010在高速混合机中共混10分钟,然后投入挤出机挤出、造粒。其中,挤出机的各段温度依次为:一区温度180℃、二区温度230℃、三区温度235℃、四区温度240、五区温度245℃、六区温度240℃、机头温度235℃。制得导热绝缘尼龙6复合材料。
所得导热绝缘尼龙复合材料粒子于80℃干燥,放置12小时,注塑成标准样条,测试其导热性能为:Hot Disk导热系数为0.6835W/(m·K)。力学性能为:拉伸强度为68.56MPa,缺口冲击强度为4.01kJ/m2,弯曲强度为101.52MPa。
实施例2
称取8g异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷,用25ml无水甲苯稀释后加入到250ml三口烧瓶中,再称取3.7346g甲乙酮肟用25ml无水甲苯溶解后转入恒压漏斗中,滴加甲乙酮肟,滴加过程控制反应温度不超过40℃,滴加时间为0.6h;滴加完毕后恒温0.6h,再升至80℃反应5h,冷却至室温,蒸除溶剂,得到甲乙酮肟封闭异氰酸酯偶联剂。如图2,甲乙酮肟封闭异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷红外数据:波数2274cm-1处-NCO特征吸收峰消失,1731cm-1处出现-NHCOO中羰基吸收峰,3353cm-1 出现-NH特殊吸收峰,1377、1442cm-1分别为-CH3和-CH2弯曲吸收峰,2975、2931、2885cm-1为-CH3和-CH2伸缩吸收峰,1079cm-1和784cm-1为Si-O键吸收峰。
称量500g Al2O3(6μm)、300gZnO(1μm)、200g AlN(10μm)复合填料加入到高速混合机里,取导热填料质量0.5%的偶联剂,按偶联剂(21%)、醇(72%)、水(7%)把上述甲乙酮肟封闭异氰酸酯偶联剂配成水解溶液分3次喷洒在复合填料上,并于80℃加热混合30分钟,处理后的复合填料于80℃烘干,得到改性复合填料、。
将尼龙66(PA66)在105℃下干燥6h待用,将100份上述干燥的尼龙66(PA66)、400份上述制得的改性复合填料、25份POE接枝马来酸酐、1份抗氧剂1076在高速混合机中共混10分钟,然后投入挤出机挤出、造粒。其中,挤出机的各段温度依次为:220℃、240℃、250℃、260℃、265℃、260℃、255℃。制得导热绝缘尼龙66复合材料。
所得导热绝缘尼龙复合材料粒子于90℃干燥,放置12小时,注塑成标准样条,测试其导热性能为:Hot Disk导热系数为2.5592 W/(m·K)。力学性能为:拉伸强度为52.77MPa,缺口冲击强度为2.56kJ/m2,弯曲强度为120.35MPa。
实施例3
称取10g异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷,用25ml无水甲苯稀释后加入到250ml三口烧瓶中,再称取2.9550g丙酮肟用25ml无水甲苯溶解后转入恒压漏斗中,滴加丙酮肟,滴加过程控制反应温度不超过40℃,滴加时间为0.5h;滴加完毕后恒温0.5h,再升至80℃反应5h,冷却至室温,蒸除溶剂,得到丙酮肟封闭异氰酸酯偶联剂。如图3,丙酮肟封闭异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷红外数据:波数2274cm-1处-NCO特征吸收峰消失,1730cm-1处出现-NHCOO中羰基吸收峰,3350cm-1 出现-NH特殊吸收峰,1383、1447cm-1分别为-CH3和-CH2弯曲吸收峰,2976、2930、2886cm-1为-CH3和-CH2伸缩吸收峰,1080 cm-1和787cm-1为Si-O键吸收峰。
称量500gMgO(40目)、500g SiC(10μm)复合填料加入到高速混合机里,转速为1200r/min,取导热填料质量0.8%的偶联剂,按偶联剂(20%)、醇(70%)、水(10%)把上述甲乙酮肟封端异氰酸酯偶联剂配成水解溶液分3次喷洒在复合填料上,并于80℃加热混合30分钟,处理后的复合填料于80℃烘干,得到改性复合填料、。
将尼龙6(PA6)在105℃下干燥6h待用,将150份上述干燥的尼龙6(PA6)、100份上述制得的改性复合填料、10份POE接枝马来酸酐、5份抗氧剂1010在高速混合机中共混10分钟,然后投入挤出机挤出、造粒。其中,挤出机的各段温度依次为:180℃、230℃、235℃、240℃、245℃、240℃、235℃。制得导热绝缘尼龙6复合材料。
所得导热绝缘尼龙复合材料粒子于80℃干燥,放置12小时,注塑成标准样条,测试其导热性能为:Hot Disk导热系数为0.8206W/(m·K)。力学性能为:拉伸强度为69.75MPa,缺口冲击强度为4.58kJ/m2,弯曲强度为110.86MPa。
Claims (10)
2.一种权利要求1所述的封闭异氰酸酯偶联剂的合成方法,其特征在于,向异氰酸酯偶联剂的甲苯溶液中滴加封端剂,滴加过程控制反应温度不超过40℃,滴加时间为0.2-0.8h;滴加完毕后恒温0.2-0.8h,再升至75-85℃反应4-5h,冷却至室温,蒸除溶剂,得到封闭异氰酸酯偶联剂;所述封端剂为甲乙酮肟或丙酮肟,所述异氰酸酯偶联剂为异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷或异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷。
3.如权利要求2所述的封闭异氰酸酯偶联剂的合成方法,其特征在于,所述封端剂和异氰酸酯偶联剂的摩尔比为1-1.2:1。
4.权利要求1所述封闭异氰酸酯偶联剂或者由权利要求2或3所述合成方法得到的封闭异氰酸酯偶联剂在处理导热填料中的应用,其特征在于,采用下述方法:
(1)将导热填料加入到高速混合机中,高速混合机温度设置为75-85℃;所述导热填料为1-40μm Al2O3、1-10μmZnO、40-325目MgO、1-10μm AlN、1-10μm BN、1-10μmSiC中的一种或几种的复配;
(2)配制封闭异氰酸酯偶联剂的水解溶液;所述水解溶液中,封闭异氰酸酯偶联剂、醇与水的质量配比为15%-25%:70%-75%:5%-10%;
(3)将步骤(2)所得的水解溶液喷洒到步骤(1)的导热填料上,并加热混合10-30分钟;
(4)将处理后的导热填料于75-85℃烘干,得改性导热绝缘填料。
5.根据权利要求4所述的应用,其特征在于,步骤(2)所述封闭异氰酸酯偶联剂的用量为导热填料质量的0.5%-3%。
6.由权利要求4所得改性导热绝缘填料在制备导热绝缘尼龙复合材料中的应用,其特征在于,导热绝缘尼龙复合材料中包括以下质量份的原料:
尼龙 100份
权利要求4所得改性导热绝缘填料 25-400份
增韧剂 5-25份
添加剂 1-10份。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述尼龙为尼龙6或尼龙66或尼龙1010。
8.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述增韧剂为聚乙烯接枝马来酸酐或POE接枝马来酸酐。
9.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述添加剂为抗氧剂和/或颜料。
10.如权利要求6-9任一项所述的应用,其特征在于,所述导热绝缘尼龙复合材料采用下述方法制备:将上述原料放入高速混合机中高速混合均匀,然后投入挤出机挤出造粒,制得导热绝缘尼龙复合材料;其中挤出机各段挤出温度分别为180-220℃、200-245℃、200-255℃、210-260℃、220-265℃、210-260℃、200-260℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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