CN104592746A - 新型导热聚酰胺基复合材料及其制备方法 - Google Patents

新型导热聚酰胺基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型导热聚酰胺基复合材料及其制备方法。所述材料的其组分和质量百分数为：聚酰胺40～80％，导热填料20～60％，所述材料制备方法为：以聚酰胺树脂为基体，选择鳞片石墨、膨胀石墨、碳纤维作为填料，采用相应的改性方法对填料进行表面处理，运用改性后的填料对聚酰胺基体进行填充改性。具体操作为先将填料进行表面改性，然后按聚酰胺树脂∶导热填料＝40～80∶20～60的质量比配料初混，再通过双螺杆挤出机进行熔融共混制备导热复合材料。通过本发明制备得到的复合材料具有导热率高、热扩散系数高、力学性能良好，综合性能优异。此外，本发明复合材料易于成型加工，可通过注塑成型工艺制备零部件，可广泛应用于导热塑料管道、汽车零部件以及LED灯具的散热装置等导热材料领域。

Description

新型导热聚酰胺基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型导热聚酰胺基复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，导热材料不断追求小型化，轻量化，耐腐蚀，耐高温性能，高分子导热聚合物由此成为导热材料领域的新秀，其应用领域也逐渐扩展，如换热工程、电子电气、摩擦材料、电磁屏蔽、汽车制造业等。
聚酰胺(PA，Polyamide)具有良好的机械性能、耐热、耐磨损、耐化学性、阻燃性和自润滑性，而且易加工、摩擦系数低等优良性能。如PA46具有优异的耐热性能，结晶性能以及优良的力学性能等，PA66的刚度和耐热性都较高，且有较高的拉伸强度和抗冲击韧性以及较好的加工性能。聚酰胺是一类非常重要、具有潜在应用价值的复合材料基体。
由于高聚物大多是热的不良导体，因此在高分子导热聚合物的制备过程中，导热填料、基体材料的合理选择，填料粒子表面改性处理，复合材料制备工艺的选择和优化成为影响导热聚合物综合性能的关键因素。目前已报道的聚酰胺基导热材料，主要有金属填充型、金属氧化物填充型，金属氮化物填充型，且选择的金属填料多为铜、铝，其缺点为易氧化，且产品的稳定性差。氧化物填料如氧化铝、氧化镁，或氮化物氮化铝或氮化硅等，不足在于填充量过高、且氮化物成本较并且易水解，在实际生产中工艺控制难度大。且填料粒径较小多为5-30μm之间，无形中提高生产成本。专利CN 103382285中采用石墨填充聚酯制备的复合材料，虽然导热率有较高的提升，但其拉伸强度，断裂伸长率并不高。专利CN103613923中在选择较高填充量填料的情况下制备出的复合材料导热率最高也只达到2.7W/(m·K)。
发明内容
本发明针对以上问题与不足提供一种具有高导热及良好力学性能的新型导热聚酰胺基复合材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新型导热聚酰胺基复合材料，其组分和质量百分数为：聚酰胺40～80％，导热填料20～60％；所述填料选自鳞片石墨、膨胀石墨、碳纤维中的一种，导热系数为40～200W/(m·K)，且其
中填料粒径范围为100～150μm，纤维直径范围为5.5～20μm，长径比7∶1～20∶1。
优选的，所述的聚酰胺为PA46、PA66中的一种。
导热聚酰胺基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将填料至于温度350～450℃保温1～1.5h，进行表面氧化，停止加热，填料随冷却至常温。接着再对填料进行偶联剂表面改性处理，其质量比为偶联剂：填料1∶100，将硅烷偶联剂KH570溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面，80～100℃干燥6～8h；
2)预混合：将聚酰胺和已表面改性处理的填料混合均匀，其中聚酰胺的质量百分比为40～80％，导热填料的质量百分比为20～60％；
3)将步骤2)中所得混合粒料，进行熔融共混，共混时温度控制在265～315℃，共混时间为1-3min；
4)将步骤3)中得到的复合材料经充分干燥后注塑成型，注塑温度260～305℃，模具温度80～120℃。
优选的，所述的聚酰胺为PA46、PA66中的一种。
采用上述技术方案，本发明通过对填料进行表面氧化及偶联剂改性的复合改性，可以使复合材料在导热性能提高的同时能够保留较为优良的力学性能。此外碳纤维因其高轴向导热以及高弹高模的性能不仅提高了复合材料的导热率，同时提高了复合材料的力学性能。因而制备了具有较高导热率，热扩散系数和力学性能的且易于成型加工的聚酰胺基复合材料。其垂直导热率可达3.74W/(m·K)，热扩散系数可达到2.34(mm2/s)。本发明的复合材料可以广泛应用于导热塑料管道、汽车零部件以及LED灯具的散热装置等导热材料领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥箱烘干，按重量百分比称取：PA46/500g，膨胀石墨/500g，首先将膨胀石墨放入马弗炉中，温度为350℃～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/5g溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将处理好的膨胀石墨与PA46放入高混机中混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在295～315℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率3.74W/(m·K)，热扩散系数2.34mm2/s，比热容1.11J/(KJ·K)，拉伸强度52.41MPa，断裂伸长率2.23％。
实施例2：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥箱烘干，按重量百分比称取：PA66/500g，鳞片石墨/500g，首先将鳞片石墨放入马弗炉中，温度为350～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/5g溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的鳞片石墨和PA66放入高混机混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在265～295℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率3.10W/(m·K)，热扩散系数2.14mm2/s，比热容1.00J/(KJ·K)，拉伸强度59.30MPa，断裂伸长率18.53％。
实施例3：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥箱烘干，按重量百分比称取：PA66/600g，鳞片石墨/400g，首先将鳞片石墨放入马弗炉中，温度为350～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/4g溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的鳞片石墨和PA66放入高混机混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在265～295℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率1.90W/(m·K)，热扩散系数1.28mm2/s，比热容1.01J/(KJ·K)，拉伸强度62.33MPa，断裂伸长率19.13％。
实施例4：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥箱烘干，按重量百分比称取：PA46/600g，膨胀石墨/400g，首先将膨胀石墨放入马弗炉中，温度为350～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/4g溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的膨胀石墨和PA46放入高混机混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在295～315℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率2.84W/(m·K)，热扩散系数1.67mm2/s，比热容1.22J/(KJ·K)，拉伸强度53.5MPa，断裂伸长率2.6％。
实施例5：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥箱烘干，按重量百分比称取：PA66/800g，鳞片石墨/200g，首先将鳞片石墨放入马弗炉中，温度为350～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/2g溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的鳞片石墨与PA66放入高混机中混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在265～295℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率0.46W/(m·K)，热扩散系数0.32mm2/s，比热容1.31J/(KJ·K)，拉伸强度73.44MPa，断裂伸长率22.75％。
实施例6：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥后按重量百分比称取：PA46/600g，碳纤维/400g，首先将碳纤维放入马弗炉中，温度为350℃～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/4g，溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的碳纤维和PA46放入高混机混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在295～315℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率1.50W/(m·K)，热扩散系数0.98mm2/s，比热容1.21J/(KJ·K)，拉伸强度72.27MPa，断裂伸长率4.54％。
实施例7：
一种导热聚酰胺基复合材料的制备方法，该方法如下：原料经真空干燥后按重量百分比称取：PA66/400g，鳞片石墨/600g，首先将鳞片石墨/放入马弗炉中，温度为350℃～450℃，保温时间1～1.5h，停止加热，填料随马弗炉冷却至常温。接着将硅烷偶联剂KH570/6g，溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面。将混合溶液喷洒在填料表面。将处理好的鳞片石墨和PA66放入高混机混合5分钟，出料，然后经双螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在265～295℃，螺杆转速为300～400r/min，挤出物的冷却方式为水冷。得到粒料后于真空干燥箱中烘干。将干燥好的复合材料粒料，进行注射成型。其导热率3.61W/(m·K)，热扩散系数2.12mm2/s，比热容1.09J/(KJ·K)，拉伸强度54.23MPa，断裂伸长率16.10％。

Claims (4)

1.一种新型导热聚酰胺基复合材料，其特征是，其组分和质量百分数为：聚酰胺40～80％，导热填料20～60％；所述填料选自鳞片石墨、膨胀石墨、碳纤维中的一种，导热系数为40～200W/(m·K)，且其中填料粒径范围为100～150μm，纤维直径范围为5.5～20μm，长径比7∶1～20∶1。
2.根据权利要求1的所述的新型导热聚酰胺基复合材料，其特征是，所述聚酰胺为PA46、PA66中的一种。
3.一种新型导热聚酰胺基复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
1)将填料至于温度350～450℃保温1～1.5h，进行表面氧化，停止加热，填料随冷却至常温。接着再对填料进行偶联剂表面改性处理，其质量比为偶联剂：填料1∶100，将硅烷偶联剂KH570溶于无水乙醇，偶联剂与无水乙醇体积比为1∶40，将溶液喷洒在填料表面，80～100℃干燥6～8h；
2)预混合：将聚酰胺和已表面改性处理的填料混合均匀，其中聚酰胺的质量百分比为40～80％，导热填料的质量百分比为20～60％；
3)将步骤2)中所得混合粒料，进行熔融共混，共混时温度控制在265～315℃，共混时间为1-3min；
4)将步骤3)中得到的复合材料经充分干燥后注塑成型，注塑温度260～305℃，模具温度80～120℃。
4.根据权利要求3的所述的新型导热聚酰胺基复合材料的制备方法，其特征是，所述聚酰胺为PA46、PA66中的一种。
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