CN104151825A - 一种导热绝缘聚砜复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热绝缘聚砜复合材料及其制备方法。本发明的导热绝缘聚砜复合材料包含如下按质量百分比计的组分：聚砜树脂粉末35～70％，片状导热绝缘填料15～50％，针状或纤维状导热绝缘填料5～20％，偶联剂0.5～2.5％，抗氧剂0.3～1％。本发明的聚砜复合材料制备方法包括以下步骤：相转化法制备聚砜树脂粉末，偶联剂对导热绝缘填料表面改性，粉末物料混合，冷压成型，高温成型。采用本发明方法制备的聚砜复合材料在较低填料用量下具有较高的热导率，同时还保持有优异的电绝缘性能，可应用于高温条件下对电绝缘有较高要求的特殊场所。

Description

一种导热绝缘聚砜复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热绝缘聚砜复合材料及其制备方法，属于导热绝缘功能高分子材料制备领域。

背景技术

特种工程塑料皆具有较好的耐热性能，广泛应用于国民经济和国防工业中的各个领域。聚砜是一类非结晶的热塑性特种工程塑料，主要有双酚A型聚砜、聚芳砜、聚醚砜三种类型，具有优良的耐热性、耐蠕变等特性，在150℃下可长期使用，电绝缘性能优异。自开发以来，在精密机械加工、汽车制造、电子电气以及航空航天、军事设备中得到广泛应用。但是，其热导率仅0.26W·m^-1·K^-1，无法满足在高温工作条件下及时散热的工业要求，因而在一定程度上限制了其应用。

目前提高高分子材料导热性能的主要方法是填充具有高热导率的绝缘陶瓷填料，如氧化铝、氮化硼、氮化铝等，一般需要达到很高的填料填充量才能形成导热通路，提高热导率。同时由于聚砜的大分子链上有大量共轭苯环，分子链刚性大，熔融时流动性较差，大量无机填料的加入使其加工成型困难。

发明内容

针对现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种导热绝缘聚砜复合材料及其制备方法，采用本发明方法制备的聚砜复合材料具有较高的热导率，同时还保持有优异的电绝缘性能，可应用于高温条件下对电绝缘有较高要求的特殊场所。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种导热绝缘聚砜复合材料，包含如下按质量百分比计的组分：聚砜树脂粉末35～70％，片状导热绝缘填料15～50％，针状或纤维状导热绝缘填料5～20％，偶联剂0.5～2.5％，抗氧剂0.3～1％。

所述的聚砜树脂粉末优选为双酚A型聚砜(PSF)、聚芳砜(PASF)和聚醚砜(PES)中的一种，粒径优选为0.1～10μm。

所述的聚砜树脂粉末由相转化法制得，该方法优选包括如下步骤：

(1)将聚砜颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，聚砜浓度为1～10g/100mL，溶解温度30～60℃；

(2)将聚砜/DMF溶液滴入60～90℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀；

(3)将得到的白色沉淀抽滤、洗涤、干燥，即得到聚砜树脂粉末。

所述的片状导热绝缘填料优选为氧化铝、氮化硼、氮化铝和碳化硅中的一种或几种。优选的，所述的片状导热绝缘填料粒径为0.1～50μm，径厚比≥20。

所述的针状或纤维状导热绝缘填料优选为碳化硅晶须、氮化硅晶须和四针状氧化锌晶须中的一种或几种。优选的，所述的针状或纤维状导热绝缘填料直径为0.1～10μm，长径比≥20。

所述的偶联剂优选为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸酯类偶联剂中的一种或几种。

所述的抗氧剂优选为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂264或抗氧剂DNP中的一种或几种。

上述导热绝缘聚砜复合材料由聚砜树脂粉末、片状导热绝缘填料、针状或纤维状导热绝缘填料、偶联剂和加工助剂(抗氧剂)等通过粉末混合法模压成型制得，其制备方法具体包括如下步骤：

(1)将偶联剂溶于乙醇质量分数为75～95％的乙醇-水溶液中，配制成偶联剂浓度为5～30wt％的偶联剂乙醇-水溶液。

(2)将片状导热绝缘填料、针状或纤维状导热绝缘填料加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌10～30min，然后在80～120℃条件下干燥3～6h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(3)将(2)得到的导热绝缘填料与聚砜树脂粉末、抗氧剂混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力5～20MPa，持续时间15～30s，反复冷压3～5次，最后升温至280～320℃进行高温成型，升温速率5～10℃/min，成型压力5～20MPa，持续时间30～60min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：

本发明在聚砜基体中填充不同形状、不同粒径的导热绝缘填料，片状填料与针状或纤维状填料在较低填充量下均匀分散于聚砜基体中，相互搭接，构成三维网状结构，形成三维导热网络通路，能够在较低的填料填充量下较大幅度的提高聚砜的导热性能。同时，采用粉末混合法模压成型，可以克服聚砜加工成型过程中熔融流动性差的缺点，制备出各种指定形状的零部件。采用本发明方法制备的聚砜复合材料具有较高的热导率，同时还保持有优异的电绝缘性能，可应用于高温条件下对电绝缘有较高要求的特殊场所。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解的是，此处所述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而不用于限定本发明。

实施例1

本实施例导热绝缘聚砜复合材料的制备方法如下：

(1)取1kg双酚A型聚砜(PSF)树脂颗粒溶于12.5L60℃N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，将PSF/DMF溶液滴入90℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀，抽滤、洗涤、干燥，即得到粒径4～6μm的PSF树脂粉末。

(2)称取50g硅烷偶联剂A-1100，溶于1L乙醇质量分数为90％的乙醇-水溶液，配制成偶联剂乙醇-水溶液。

(3)称取800g片状BN(粒径25μm，径厚比≥50)和200gSiC晶须(直径5μm，长径比≥25)，加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌10min，然后在120℃条件下干燥6h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(4)将(3)得到的导热绝缘填料与1kgPSF树脂粉末、10g抗氧剂1010一起加入高速混合机内混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力8MPa，持续时间25s，反复冷压5次，最后升温至300℃进行高温成型，升温速率10℃/min，成型压力8MPa，持续时间45min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

实施例2

本实施例导热绝缘聚砜复合材料的制备方法如下：

(1)取800g双酚A型聚砜(PSF)树脂颗粒溶于80L60℃N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，将PSF/DMF溶液滴入60℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀，抽滤、洗涤、干燥，即得到粒径0.1～0.2μm的PSF树脂粉末。

(2)称取30g硅烷偶联剂A-1100，溶于500mL乙醇质量分数为75％的乙醇-水溶液，配制成偶联剂乙醇-水溶液。

(3)称取900g片状BN(粒径0.1μm，径厚比≥20)、60g四针状ZnO晶须(直径0.2μm，长径比≥30)和240gSiC晶须(直径0.1μm，长径比≥20)，加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌15min，然后在120℃条件下干燥4h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(4)将(3)得到的导热绝缘填料与0.8kgPSF树脂粉末、8g抗氧剂1010一起加入高速混合机内混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力5MPa，持续时间30s，反复冷压5次，最后升温至300℃进行高温成型，升温速率5℃/min，成型压力8MPa，持续时间30min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

实施例3

本实施例导热绝缘聚砜复合材料的制备方法如下：

(1)取1.2kg聚芳砜(PASF)树脂颗粒溶于30L60℃N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，将PASF/DMF溶液滴入90℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀，抽滤、洗涤、干燥，即得到粒径0.5～0.8μm的PASF树脂粉末。

(2)称取20g硅烷偶联剂A-172，溶于100mL乙醇质量分数为85％的乙醇-水溶液，配制成偶联剂乙醇-水溶液。

(3)称取600g片状BN(粒径0.5μm，径厚比≥20)和200gSi3N4晶须(直径0.5μm，长径比≥30)，加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌30min，然后在80℃条件下干燥4h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(4)将(3)得到的导热绝缘填料与1.2kgPASF树脂粉末、20g抗氧剂1076一起加入高速混合机内混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力20MPa，持续时间25s，反复冷压5次，最后升温至320℃进行高温成型，升温速率8℃/min，成型压力12MPa，持续时间60min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

实施例4

本实施例导热绝缘聚砜复合材料的制备方法如下：

(1)取1.1kg聚醚砜(PES)树脂颗粒溶于22L60℃N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，将PES/DMF溶液滴入80℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀，抽滤、洗涤、干燥，即得到粒径1～2μm的PES树脂粉末。

(2)称取45g钛酸酯偶联剂KR-TTS，溶于150mL乙醇质量分数为80％的乙醇-水溶液，配制成偶联剂乙醇-水溶液。

(3)称取630g片状Al₂O₃(粒径5μm，径厚比≥25)和270gSiC晶须(直径10μm，长径比≥30)，加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌30min，然后在100℃条件下干燥3h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(4)将(3)得到的导热绝缘填料与1.1kgPES树脂粉末、11g抗氧剂CA一起加入高速混合机内混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力10MPa，持续时间30s，反复冷压5次，最后升温至280℃进行高温成型，升温速率8℃/min，成型压力10MPa，持续时间45min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

实施例5

本实施例导热绝缘聚砜复合材料的制备方法如下：

(1)取1.4kg聚醚砜(PES)树脂颗粒溶于14L60℃N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，将PES/DMF溶液滴入80℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀，抽滤、洗涤、干燥，即得到粒径8～10μm的PES树脂粉末。

(2)称取20g铝酸酯偶联剂SG-Al821，溶于200mL乙醇质量分数为75％的乙醇-水溶液，配制成偶联剂乙醇-水溶液。

(3)称取400g片状AlN(粒径50μm，径厚比≥50)和200g四针状ZnO晶须(直径1μm，长径比≥25)，加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌20min，然后在80℃条件下干燥3h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料。

(4)将(3)得到的导热绝缘填料与1.4kgPES树脂粉末、14g抗氧剂CA一起加入高速混合机内混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力15MPa，持续时间15s，反复冷压5次，最后升温至280℃进行高温成型，升温速率5℃/min，成型压力15MPa，持续时间30min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。

上述各实施例制备的导热绝缘聚砜复合材料的导热系数根据瞬态平面法原理，使用加拿大C-Therm技术公司的C-ThermTCiTM型热导率测试仪测定；电阻率依据GB/T1410-2006，采用EST121型数字超高电阻微电流测量仪测定。各项性能测试数据列于表1中。

表1.本发明导热绝缘聚砜复合材料的各项性能参数

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。对本领域普通技术人员来说，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于包含如下按质量百分比计的组分：聚砜树脂粉末35～70％，片状导热绝缘填料15～50％，针状或纤维状导热绝缘填料5～20％，偶联剂0.5～2.5％，抗氧剂0.3～1％。

2.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的聚砜树脂粉末为双酚A型聚砜、聚芳砜和聚醚砜中的一种，粒径为0.1～10μm。

3.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的聚砜树脂粉末的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚砜颗粒溶于DMF，聚砜浓度为1～10g/100mL，溶解温度30～60℃；

(2)将聚砜/DMF溶液滴入60～90℃去离子水中，边滴加边搅拌，得到白色沉淀；

(3)将得到的白色沉淀抽滤、洗涤、干燥，即得到聚砜树脂粉末。

4.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的片状导热绝缘填料为氧化铝、氮化硼、氮化铝和碳化硅中的一种或几种。

5.根据权利要求4所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的片状导热绝缘填料粒径为0.1～50μm，径厚比≥20。

6.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的针状或纤维状导热绝缘填料为碳化硅晶须、氮化硅晶须和四针状氧化锌晶须中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的针状或纤维状导热绝缘填料直径为0.1～10μm，长径比≥20。

8.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸酯类偶联剂中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的导热绝缘聚砜复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂264或抗氧剂DNP中的一种或几种。

10.权利要求1～9任一项所述的导热绝缘聚砜复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将偶联剂溶于乙醇质量分数为75～95％的乙醇-水溶液中，配制成偶联剂浓度为5～30wt％的偶联剂乙醇-水溶液；

(2)将片状导热绝缘填料、针状或纤维状导热绝缘填料加入双锥回转真空干燥机，采用喷雾法将偶联剂乙醇-水溶液加入到导热绝缘填料中，喷雾的同时进行对导热绝缘填料搅拌，偶联剂乙醇-水溶液加入完毕后继续搅拌10～30min，然后在80～120℃条件下干燥3～6h，得到表面均匀包覆一层偶联剂的导热绝缘填料；

(3)将(2)得到的导热绝缘填料与聚砜树脂粉末、抗氧剂混合均匀，然后将混合物料置于模具中进行冷压成型，成型压力5～20MPa，持续时间15～30s，反复冷压3～5次，最后升温至280～320℃进行高温成型，升温速率5～10℃/min，成型压力5～20MPa，持续时间30～60min，冷却，即得导热绝缘聚砜复合材料成品。