CN103951985A

CN103951985A - 一种高分子导热复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103951985A
Application number: CN201410192830.9A
Authority: CN
Inventors: 卢伟; 金政武; 徐波
Original assignee: NANJING XINWEILUN MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING XINWEILUN MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-07-30

Abstract

本发明提出的一种高分子导热复合材料，包含固态导热填料和高分子聚合物基体；固态导热填料包括四种尺寸梯次分布，并具有相异形状和尺寸的固态导热填料；高分子导热复合材料以较低的成本来实现较高的导热性能，同时在满足导热需求的范围内，还可以通过调整各种填料的比例来调整材料的力学性能，满足加工流动性的需要。选用的材料导热系数大于2.1W/m.℃,可用以取代传统的铝制或低温共烧陶瓷(LTCC)制LED室内照明产品的散热器，有效减轻散热器的重量。

Description

一种高分子导热复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于导热绝缘材料技术领域，尤其涉及一种高分子导热复合材料及其制备方法。

背景技术

随着温室气体排放引起全球气温变暖，人们增强了节能环保意识。新型节能电致发光二极管(LED)的使用备受国际社会的关注。由于LED具有体积小、发光效率高、能耗低、亮度高、环保等优点，各国政府加大对LED研发的资金资助和相应政策支持。与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在P-N结附近辐射出来的光还需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30-40％的输入电能被转化为光能，其余60-70％的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而芯片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步降低发光效率。此外，在现有的LED芯片封装工艺中，荧光粉紧贴蓝光芯片，由于芯片自身工作时会散发出大量的热量，荧光粉的无辐射跃迁增加，荧光粉发光效率下降，且随时间的变化衰减加剧。为了解决LED灯具的散热问题，考虑到材料成本及加工工艺，目前LED灯具的散热器(壳体)普遍采用压铸铝作为散热材料(少量采用低温共烧陶瓷散热材料)。

众所周知，金属材料具有非常好的导热性能，但是金属存在如下潜在的缺点：金属属于电的良导体，在许多场合基于安全考虑，希望使用电绝缘的材料；另外金属材料成型工艺复杂，采用铝材料的散热鳍片必须经过表面抛光、磨平加工、钻洞、阳极处理的程序；金属材料密度相对较大，通常大于2.4g/cm³，从而增加了产品重量；相对于聚合物材料，易受腐蚀。

在本发明中，我们提出一种高分子导热复合材料，用以取代传统的铝制或低温共烧陶瓷(LTCC)制LED室内照明产品的散热器，可以有效减轻散热器的重量。另外高分子导热复合材料成型工艺简单，成型周期可以大大缩短，可以有效降低生产成本。

发明内容

本发明目的是，提出一种高分子导热复合材料，尤其应用于LED室内照明灯具散热器(壳体)领域，能够将热量尽快地从电源和LED芯片上散出去。本发明的高分子导热复合材料以较低的成本来实现较高的导热性能，同时在满足导热需求的范围内，还可以通过调整各种填料的比例来调整材料的力学性能，满足加工流动性的需要。选用的材料导热系数大于2.1W/m.℃,可用以取代传统的铝制或低温共烧陶瓷(LTCC)制LED室内照明产品的散热器，有效减轻散热器的重量。

本发明的技术方案是，一种高分子导热复合材料，包含固态导热填料和高分子聚合物基体；固态导热填料包括四种尺寸梯次分布，并具有相异形状和尺寸的固态导热填料；其中第一种填料具有如下特征：尺寸30-60μm；长宽比较大(10:1以上)；外形呈纤维状或者片状；填充量的重量份为20～50；其中第二种填料具有如下特征：尺寸约约20-50μm；长宽比较低(5:1以下)；外形呈枝蔓状或者球状；填充量的重量份为30～55；其中第三种填料具有如下特征：尺寸约5-20μm；长宽比较大(10:1以上)；外形呈纤维状或者片状；填充量的重量份为5～15；其中第四种填料具有如下特征：尺寸约2μm～500nm，其外形为纤维状或扁平状；填充量的重量份为5～15，高分子聚合物基体占高分子导热复合材料重量的20-70％，其它材料为固态导热填料。上述四种导热填料对应于固态导热填料1、2、3、4。

进一步，高分子基体材料选用环氧树脂，PPS、ABS、PP、PC、PA46或PA66等通用塑料和有机硅橡胶，三乙丙橡胶，丁晴橡胶等材料；高分子基体材料占整个复合材料重量的20-50％。

进一步，固态导热填料组分包括氧化铝粉、氮化铝粉、SiC粉、氮化硼粉、鳞片状石墨粉体、纳米石墨、铜粉、铝粉、锌粉等；固态导热填料的总重量占整个复合材料重量的50～80％。

导热复合材料是由导热填料和聚合物基体复合而成的多相体系，在热量传递过程中，必然要经过许多基体-填料界面，因此在整个导热材料中界面结构、界面数量及界面间的结合强度直接影响整个材料的热导率。原理上大尺寸的填料按规则排列可以获得高的导热系数，而长宽比高的导热填料为优选。一般来说，高分子基体中的纤维状或片状材料在受到较大压力时，会大致沿着与压力方向垂直的方向或平面内排列。由于一般的LED室内照明产品的散热器具有复杂的几何形状，过大尺寸的填料会阻碍高分子导热复合材料最终的模塑成型或挤出成型，而且在成型过程中会被折断，因此不能做到完全规则排列，相互之间会留有较大的间隙，严重影响高分子导热复合材料整体的导热能力，如图1所示。

为了尽可能填充不规则排列的1号填料间的物理空间，并同时获得复合材料的高导热能力，我们使用枝蔓状或球状的导热填料2来进行填充。由于1、2号导热填料都具有较大的几何尺寸，高分子基体材料中仍然有较多的空间未被填充。如果纯粹从物理填充角度来考虑，再使用球形的小颗粒填料就可以达到目的，这也是业界通常的做法。但是使用球形的小颗粒填料后，在材料中会形成很多被高分子材料包围的小“岛”。这意味着，尽管球形的小颗粒填料有高的导热系数，但热量在这些小“岛”之间传递时会遇到无数由球形的小颗粒填料和高分子材料组成的界面，热传导效率急剧降低。此外，复合材料中过多填充球形的小颗粒填料还会降低高分子材料在模塑或射出成型时的流动性。因此，我们采用中等尺寸的具有较大长宽比的导热填料3来完成后续空间的物理填充。为了达到物理空间的充分填充，我们再使用小尺寸的具有较大长宽比的导热填料4来进行最后的填充。

本发明的有益效果是，本发明提出的高分子导热复合材料，尤其应用于LED室内照明灯具散热器(壳体)领域，能够将热量尽快的从电源和LED芯片上散出去。所获材料导热系数大于2.1W/m.℃,可用以取代传统的铝制或低温共烧陶瓷(LTCC)制LED室内照明产品的散热器，有效减轻散热器的重量；所获高分子导热复合材料成型工艺简单，成型周期大大缩短，可以有效降低生产成本。本发明所获材料导热系数大于1.5W/m.℃,可用以取代传统的铝制或低温共烧陶瓷(LTCC)制LED室内照明产品的散热器，有效减轻散热器的重量；所获高分子导热复合材料成型工艺简单，成型周期大大缩短，可以有效降低生产成本。

附图说明

图1为高分子导热材料内部填充结构示意图，其中1代表大尺寸长宽比高的填料，2代表长宽比低的填料，3代表中等尺寸长宽比高的填料，4代表小尺寸长宽比高的填料。

具体实施方式

下面以具体实施例来说明高分子导热复合材料的制备方法。本发明涉及的一种高分子导热复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)树脂配料：称取热固性树脂的各组分，搅拌均匀；

2)导热填料配料：按所需要的重量百分比称取好填料，并用V型混料机混合均匀；

3)将树脂和导热填料在密炼机、开炼机或者螺杆挤出机中混合均匀，制成混合料；

4)将混合料进行模压或者注塑成型。成型根据不同的树脂体系，选择不同的成型条件。例如用环氧树脂-填料体系的，在120℃进行5分钟保温固化成型，对有机硅橡胶-填料体系，在170℃热压约10分钟进行固化成型。

热导率测试采用瞬态平面热源法测量。该测试方法基于TPS瞬态平面热源技术，用HotDisk作为探头的导热系数测定仪，具有以下优点：直接测量热传播，可以节约大量时间；不会和静态法一样受到接触热阻的影响；无需特别的样品制备，对固态材料只需要相对平整的样品表面。设备参考标准：ISO22007-22008。

具体实施例1

称取甲基乙烯基硅橡胶生胶750克；乙烯基硅油1000克，粘度2000；膏状双二五硫化机6.5克，脱模剂6.5克，片状大尺寸石墨(50μm)450克，枝蔓状铝粉(40μm)1000克，纳米石墨粉(500nm左右)360克，球型氧化铝(5μm)360克。将导热填料在V型混料机中搅拌12小时使原料混合均匀，然后将混好的填料与橡胶生胶和硅油、脱模剂、硫化剂一起在开炼机上炼好，制成片状混合原料代用，将混合好的片状原料剪成小块状以便塞入模具中硫化。最后将小块状的原料在平板硫化机中热压，制得成品，硫化条件为110℃热压约5分钟，压力在20兆帕。制成2块厚度约3厘米，直径8厘米的圆柱状原料以便测试导热系数和其它性能，测得导热系数为3.2瓦/米.度。

具体实施例2

称取6101型环氧树脂750克，低分子650固化剂750克，片状大尺寸石墨(50μm)450克，球型氧化铝(30μm)1100克，片状石墨粉(10μm)360克，小尺寸氮化铝(1-3μm)360克。将导热填料在V型混料机中混合12小时使原料混合均匀，然后将混好的填料与环氧树脂和固化剂搅拌均匀后浇铸成型，同样制成2块厚度约3厘米，直径8厘米的圆柱状原料以便测试导热系数和其它性能，测得导热系数为2.1瓦/米.度。

Claims

1.一种高分子导热复合材料，其特征在于，包含固态导热填料和高分子聚合物基体；固态导热填料包括四种尺寸梯次分布，并具有相异形状和尺寸的固态导热填料；其中第一种填料具有如下特征：尺寸30-60μm；长宽比10:1以上；外形呈纤维状或者片状，总的填充量占固态导热填料的重量份为20～50；其中第二种填料具有如下特征：尺寸约约20-50μm；长宽比5:1以下；外形呈枝蔓状或者球状，总的填充量占固态导热填料的重量份为30～55；其中第三种填料具有如下特征：尺寸约5-20μm；长宽比10:1以上，外形呈纤维状或者片状，总的填充量占固态导热填料的重量份为5～15；其中第四种填料具有如下特征：尺寸约2μm～500nm，其外形为纤维状或扁平状，总的填充量占固态导热填料的重量份为5～15，高分子聚合物基体占高分子导热复合材料重量的20-70％，其它材料为固态导热填料。

2.根据权利要求1所述的高分子导热复合材料，其特征在于，高分子基体材料选用环氧树脂，PPS、ABS、PP、PC、PA46或PA66等通用塑料和有机硅橡胶，三乙丙橡胶，丁晴橡胶等材料；高分子基体材料占整个复合材料重量的20-50％。

3.根据权利要求1或2所述的高分子导热复合材料，其特征在于，固态导热填料组分包括氧化铝粉、氮化铝粉、SiC粉、氮化硼粉、鳞片状石墨粉体、纳米石墨、铜粉、铝粉、锌粉等；固态导热填料的总重量占整个复合材料重量的50～80％。