CN104710732B - 一种用于制备led灯基座和散热器的相变导热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料，由组分A、组分B和组分C以质量比1～1.5:0.5～0.8:0.1～0.2组成；按重量份数计，组分A：聚间苯二甲酸乙二醇酯？40～70份，聚对苯二甲酸丁二醇酯？20～30份，甲基丙烯酰氧基硅烷？10～25份，乙烯-醋酸乙烯共聚物？10～20份，N，N-二甲基苯胺？1～2份；组分B：环氧树脂？100份，活性稀释剂？10～20份，聚乙二醇？120～250份，碳化硅晶须？110～170份；所述组分C为改性多元胺固化剂，该改性多元胺固化剂的活泼氢当量与组分A的环氧当量比为1.1～1.2:1；还涉及该相变导热材料的制备方法。由该相变导热材料制成的灯基座和散热器制备工艺简单、机械性能高、尺寸稳定、热导率高以及散热效果好，并且其热膨胀系数与半导体芯片接近，使得该LED灯整体结构稳固，使用寿命长。

Description

一种用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种相变导热材料，尤其涉及一种用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料及其制备方法。

背景技术

LED作为一种新型光源，具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小而使彩度更高等传统光源无可比拟的优势，并逐步替代白炽灯、荧光灯、节能灯等传统光源而进入包括家庭照明在内的各个领域。然而，随着LED向高光强、高功率方向发展，大功率LED灯的散热问题日渐突出，成为阻碍LED照明发展的瓶颈。LED散热设计包括高导热材料的选择与开发、散热面积的提高和最短散热路径的设计。在LED灯具里面，受限于LED灯具外形尺寸的要求，散热面积无法增大，散热形式无法最优，因此在LED灯设计时均是通过设计热传导结构以热传导的方式将热传导到LED封装的基座上，再由该基座传导至散热装置进行散热。

高导热材料的研究开发是当前的主要研究方向，目前LED散热采用的材料主要是具有高导热系数的金属如铝制和铜质基材、陶瓷，这些材料散热效果较好，但也存在一些问题，比如：金属材料密度较大、绝缘性差、热膨胀系数大、抗环境腐蚀性弱；陶瓷材料虽然绝缘性好、热和化学稳定性高，但是密度大、加工性差，制造成本较高。此外，上述的材料与外壳以及电子元器件(有机硅芯片)的热膨胀系数不同，两者接触面之间受应力而易引起裂缝，该裂缝会形成通，大大降低导热面积，同时还引起基板与外壳相对对应接触面的氧化，进而降低导热效率。高分子材料具有质轻、电绝缘、化学稳定性好、加工成型性能优异等优点，但是其导热系数较低，提高导热系数是其应用于LED散热领域需要解决的首要问题。

相变材料在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热量并在需要时向环境放出热量从而达到控制周围环境温度的目的。物质相变过程是一个等温或近似等温过程，在这个过程中伴随有能量的吸收或释放，其中相变储热是利用相变材料在其相变过程中，从环境吸收或释放热量，达到储能或放能的目的。将相变材料应用于LED灯具基座和散热器的制造，能够显著提高散热效果，使得LED灯具具有较好的性能。传统的相变材料在熔融时发生固-液态转化，必须使用专门的容器封装，不仅增加成本，而且降低传热效率，应用受到限制。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种具有高散热性能的用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种上述相变导热材料的制备方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料，其特征在于，该相变导热材料由组分A、组分B和组分C以质量比1～1.5:0.5～0.8:0.1～0.2组成；按重量份数计，所述组分A由以下原料组成：聚间苯二甲酸乙二醇酯40～70份，聚对苯二甲酸丁二醇酯20～30份，甲基丙烯酰氧基硅烷10～25份，乙烯-醋酸乙烯共聚物10～20份，N，N-二甲基苯胺1～2份；所述组分B由以下原料组成：环氧树脂100份，活性稀释剂10～20份，聚乙二醇120～250份，碳化硅晶须110～170份；所述组分C由为改性多元胺固化剂，该改性多元胺固化剂的活泼氢当量与环氧当量比为1.1～1.2:1。

上述方案中，聚间苯二甲酸乙二醇酯具有良好的力学性能、耐磨性和耐化学性，乙二醇类聚酯和聚乙二醇有很好的相容性，而苯甲酸聚酯本身具有很好的综合性能，如：良好的抗拉强度以及优异的耐热性能等。

聚对苯甲酸丁二醇酯(PBT)属于聚酯系列，由1,4-pbt丁二醇(1,4-Butyleneglycol)与对苯二甲酸(PTA)或者对苯二甲酸酯(DMT)聚缩合而成，并经由混炼程序制成的乳白色半透明到不透明、结晶型热塑性聚酯树脂。

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)是无毒、无味、耐油脂、酸碱腐蚀，具有较高的弹性和韧性，低温性能优异，还具有增容剂的作用，与PBT、聚间苯二甲酸乙二醇酯具有很好的相容性，EVA的加入使得反应接枝率大大提高，使得体系的机械性能大大提升。

甲基丙烯酰氧基硅烷是指同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，在加热的条件下甲基丙烯酰氧基硅烷中不饱键(-C＝C-和-C＝O-)会与EVA中的不饱和键进行接枝反应，提高他们之间的相容性，而且甲基丙烯酰氧基硅烷中的硅烷会使整个体系具有更为优异的耐温稳定性。

进一步，所述聚乙二醇由PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，且该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为0.5～1:0.8～1.2:1，相对分子质量较低的PEG6000可以做润滑剂和稠度调节剂，在反应中作为热熔粘合剂来增加快速润湿的能力，PEG8000添加到环氧树脂中，可以增加制品的润滑性和塑性，减少在加工过程中的动力消耗，延长制品的使用寿命，而PEG10000的熔点较高，粘度较高，作为基质起到调节熔点的作用，选用这三种聚乙二醇，能调节相变温度范围，防止热滞后现象。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：该用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)所述组分A的制备：按上述质量份数，将聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌4～6min，得混合物a；

将上述混合物a加热到80～90℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌10～30min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区170～180℃，二区180～190℃，三区190～200℃，四区200～210℃，五区210～220℃，机头温度210～230℃，螺杆转速为180～220r/min，所得粒子即为组分A；

(2)所述组分B的制备：按上述质量份数，将聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得组分B；

(3)按质量比，将上述制备的所述组分A、组分B与组分C混合均匀，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入70～90℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中组分A作为定形相变导热材料的骨架支撑材料，使得制得的成品尺寸稳定，耐热耐腐蚀性强且机械性能优异；采用复配的聚乙二醇作为相变材料，相变潜热大，相变温度范围宽，热滞后效应地，无相分离现象；采用碳化硅晶须作为导热材料，其纤维状结构在环氧树脂基体中相互搭接，有利于导热网络的形成，不仅能提高热导率，还能对环氧树脂基体起到增强增韧作用。综上使得采用该相变材料制备的LED灯基座和散热器制备工艺简单、机械性能高、尺寸稳定、热导率高以及散热效果好。进一步，由该相变导热材料制备的LED灯基座和散热器的热膨胀系数(5.8～6.3×10-6m/mK20℃)与半导体芯片(有机硅)的热膨胀系数(4.6×10-6m/mK20℃)接近，使得装备有该LED灯基座和散热器的LED灯在正常工作中不会因为温度的变化而导致晶片的弯曲，从而使得该LED灯整体结构稳固，延长其使用寿命。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，下述各实施例中所用的原料如下：

环氧树脂为E51，由南亚环氧树脂公司生产，牌号NPEL-128，环氧当量184～190g/eq，粘度(25℃)12000～15000cP；

活性稀释剂为AGE，上海树脂厂有限公司生产，环氧当量290g/eq，粘度(25℃)5～30cP；

聚乙二醇为PEG-6000、PEG-8000和PEG-10000，PEG-6000熔点53～58℃，平均分子量5500～7500，PEG-8000熔点58～62℃，平均分子量7500～8500，PEG-10000熔点59～63℃，平均分子量8600～10500，均为美国陶氏化学公司生产；

碳化硅晶须为徐州捷创新材料科技有限公司生产，粒度0.05～2.5μm，长径比≥20；

改性多元胺固化剂是593固化剂，主要成分是二亚乙基三胺与丁基缩水甘油醚的加成物，巴陵石化生产，粘度(25℃)90～150cP，胺值500～600mgKOH/g。

实施例1：

(1)组分A的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌4min，得混合物a；

将上述混合物a加热到80℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌10min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区170℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区210℃，机头温度210℃，螺杆转速为180r/min，所得粒子即为组分A；

(2)组分B的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得B组份，其中PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，本实例例中该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为0.5:0.8:1；

(3)按质量比1:0.5:0.1，将上述制备的组分A、组分B与组分C混合均匀，使得组分C的活泼氢当量与组分B的环氧当量为1.2:1，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入70℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

实施例2：

(1)组分A的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌6min，得混合物a；

将上述混合物a加热到90℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌30min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区180℃，二区190℃，三区200℃，四区210℃，五区220℃，机头温度230℃，螺杆转速为220r/min，所得粒子即为组分A；

(2)组分B的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得B组份，其中PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，本实例例中该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为1:1.2:1；

(3)按质量比1.5:0.8:0.2，将上述制备的组分A、组分B与组分C混合均匀，使得组分C的活泼氢当量与组分B的环氧当量为1.2:1，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入90℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

实施例3：

(1)组分A的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌5min，得混合物a；

将上述混合物a加热到85℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌20min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区175℃，二区185℃，三区195℃，四区205℃，五区215℃，机头温度220℃，螺杆转速为200r/min，所得粒子即为组分A；

(2)组分B的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得B组份，其中PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，本实例例中该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为0.7:1:1；

(3)按质量比1.2:0.7:0.15，将上述制备的组分A、组分B与组分C混合均匀，使得组分C的活泼氢当量与组分B的环氧当量为1.1:1，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入80℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

实施例4：

(1)组分A的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌6min，得混合物a；

将上述混合物a加热到88℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌25min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区180℃，二区180℃，三区200℃，四区200℃，五区210℃，机头温度230℃，螺杆转速为220r/min，所得粒子即为组分A；

(2)组分B的制备：按表1中的配方，将相应质量份数的聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得B组份，其中PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，本实例例中该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为1:0.8:1；

(3)按质量比1.5:0.8:0.1，将上述制备的组分A、组分B与组分C混合均匀，使得组分C的活泼氢当量与组分B的环氧当量为1.1:1，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入90℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

表1相变导热材料中组分A和组分B的配方

将上述实施例所得产品进行相关性能测试，其中对比例中的散热器铝型材散热器(由上海贤丰散热器制造有限公司生产)，测试结果如表2所示，测试方法如下：

(1)热导率测试：根据瞬态平面法原理，使用加拿大C-Therm公司生产的C-ThermTCi型热导率测试仪，测试热导率；

(2)采用美国TA公司生产的Q600同步热分析仪进行DSC分析，测试相变温度和相变潜热；

(3)测试采用本发明的相变导热材料制备的散热器的灯具在点亮2小时后散热器的表面温度，环境温度25℃，分别测试循环1次和循环1000次的温度。对比例为常规铝材制作的相同形状大小散热器。

表2相关性能测试结果

可以看出，尽管本发明的相变导热材料比铝材的热导率要小得多，但本发明采用相变导热材料制备的散热器比铝材散热器的散热效果要好得多。

Claims (3)

1.一种用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料，其特征在于，该相变导热材料由组分A、组分B和组分C以质量比1～1.5:0.5～0.8:0.1～0.2组成；按重量份数计，所述组分A由以下原料组成：聚间苯二甲酸乙二醇酯40～70份，聚对苯二甲酸丁二醇酯20～30份，甲基丙烯酰氧基硅烷10～25份，乙烯-醋酸乙烯共聚物10～20份，N，N-二甲基苯胺1～2份；

所述组分B由以下原料组成：环氧树脂100份，活性稀释剂10～20份，聚乙二醇120～250份，碳化硅晶须110～170份，其中所述聚乙二醇由PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，且该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为0.5～1:0.8～1.2:1；

所述组分C由为改性多元胺固化剂，该改性多元胺固化剂的活泼氢当量与组分A的环氧当量比为1.1～1.2:1。

2.一种如权利要求1所述的用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)所述组分A的制备：按上述质量份数，将聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲基丙烯酰氧基硅烷和乙烯-醋酸乙烯共聚物放入高速混合机中，室温下搅拌4～6min，得混合物a；

将上述混合物a加热到80～90℃，然后按上述质量份数加入N，N-二甲基苯胺，继续搅拌10～30min,得混合物b；

将混合物b加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、冷却、造粒、双螺杆挤出机的共混挤出温度为：一区170～180℃，二区180～190℃，三区190～200℃，四区200～210℃，五区210～220℃，机头温度210～230℃，螺杆转速为180～220r/min，所得粒子即为组分A；

(2)所述组分B的制备：按上述质量份数，将聚乙二醇和活性稀释剂加入到反应釜中，搅拌至聚乙二醇完全溶解，再加入环氧树脂，搅拌至体系分散均匀，最后加入碳化硅晶须，搅拌至分散均匀，得组分B；

(3)按质量比，将上述制备的所述组分A、组分B与组分C混合均匀，真空脱气，导入涂有脱模剂的模具中，接着将该模具移入70～90℃烘箱中固化成型，冷却，脱模，即得所述的相变导热材料。

3.如权利要求2所述的用于制备LED灯基座和散热器的相变导热材料的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇由PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000组成，且该PEG-6000、PEG-8000与PEG-10000的质量比为0.5～1:0.8～1.2:1。