CN105368043B - 一种石墨烯导热塑料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯导热塑料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯导热塑料，包括树脂、石墨烯、阻燃剂、偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂，其中，所述助剂为由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成的混合物，各组分在该石墨烯导热塑料中的质量百分数如下：树脂60％～90％，石墨烯1％～20％，阻燃剂5％～20％，分散剂1％～10％，抗氧剂0.5％～5％，偶联剂0.1％～5％，助剂1％～10％。本发明还提供一种石墨烯导热塑料的制备方法。通过氧化镁、氧化铝以及碳化硅的加入，能使石墨烯均匀分布，从而提高所述石墨烯导热塑料的热导率。

Description

一种石墨烯导热塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及塑料材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯导热塑料及其制备方法。
背景技术
塑料作为一种重要的高分子化合物材料，应用范围非常广泛。与金属材料的加工难度大，成本费用高，生产效率低等缺点不同，塑料具有设计自由度高，易加工成型，成本低等优点，因此国际上使用塑料代替金属的应用不断扩大。但是，塑料也存在着不足之处，和金属的高导热性相比，其导热性能普遍较差，这限制了塑料在导热散热领域的应用。
例如中国专利公布号为CN104292826A，公布日2015年1月21日，名称为一种导热塑料及其制备方法，该专利申请公开了一种塑料配方，所述配方包括聚酰胺、玻璃纤维、增韧剂、阻燃剂、导热助剂、润滑剂、分散剂、抗氧剂，其中，聚酰胺40‐80％、玻璃纤维5‐30％、增韧剂1‐10％、阻燃剂1‐10％、导热助剂1‐15％、润滑剂1‐10％、分散剂1‐5％、抗氧剂0.1‐0.5％。其不足之处在于，该配方生产出来的塑料导热性能较差，其导热系数仅为2W/m·K左右。
石墨烯自2004年被发现以来，由于其独特的二维结构以及优异的热学、力学和电学性能，已经成为材料科学领域备受关注的研究热点之一。石墨烯具有完美的二维晶体结构，其晶格是由六个碳原子围成的六边形，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型材料。石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，远高于普通的金属材料。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较好的导热性能的石墨烯导热塑料及其制备方法。
本发明提供一种石墨烯导热塑料，包括树脂、石墨烯、阻燃剂、偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂，其中，所述助剂为由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成的混合物，各组分在该石墨烯导热塑料中的质量百分数如下：树脂60％～90％，石墨烯1％～20％，阻燃剂5％～20％，分散剂1％～10％，抗氧剂0.5％～5％，偶联剂0.1％～5％，助剂1％～10％。
本发明还提供一种石墨烯导热塑料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将树脂加入双螺杆挤出机的筒体；
(2)将石墨烯、分散剂、抗氧剂、偶联剂和助剂混合均匀得到一混合物，然后将该混合物加入双螺杆挤出机的筒体，其中，所述助剂由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成；
(3)将阻燃剂加入双螺杆挤出机；以及
(4)通过双螺杆挤出机进行挤出造粒得到石墨烯导热塑料。
与现有技术相比较，本发明提供的石墨烯导热塑料及其制备方法具有以下优点：第一，先将石墨烯和偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂等混合，可提高石墨烯的分散性能，使得石墨烯能够充分均匀分散于石墨烯导热塑料中；第二，由于助剂中包含氧化镁、氧化铝和碳化硅，所述氧化镁、氧化铝和碳化硅的导热性能优异，可进一步提高石墨烯导热塑料的导热性能。本制备方法简单易行，易于操作，适合产业化。得到的所述石墨烯导热塑料具有良好的导热性能，而可应用于散热器等领域中，具有良好的应用前景。
具体实施方式
以下将对本发明提供的石墨烯导热塑料及其制备方法作进一步说明。
本发明提供一种石墨烯导热塑料，其包括树脂、石墨烯、阻燃剂、偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂。其中，所述助剂为由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成的混合物。各组分在该石墨烯导热塑料中的质量百分数如下：树脂60％～90％，石墨烯1％～20％，阻燃剂5％～20％，分散剂1％～10％，抗氧剂0.5％～5％，偶联剂0.1％～5％，助剂1％～10％。优选的，该各组分在该石墨烯导热塑料中的质量百分数如下：树脂65％～80％，石墨烯5％～15％，阻燃剂5％～15％，分散剂2％～5％，抗氧剂0.5％～1％，偶联剂0.1％～0.5％，助剂2％～8％。
所述助剂中氧化镁、氧化铝和碳化硅可为市售的氧化镁、氧化铝和碳化硅粉末。该氧化镁、氧化铝和碳化硅的粒径可为微米级别或纳米级。所述助剂中氧化镁、氧化铝与碳化硅的质量比为3～5：1～3：1。优选的，所述助剂中氧化镁、氧化铝与碳化硅的质量比为2.5～3.5：2～3：1。
所述树脂为所述石墨烯导热塑料的基体材料。所述树脂为聚碳酸酯、丙烯腈‐苯乙烯‐丁二烯共聚物、聚酰胺、聚苯硫醚中的一种。
该石墨烯的结构不限，其包括石墨烯纳米片、石墨烯微米片、石墨烯纳米带、少层石墨烯(2‐5层)、多层石墨烯(2‐9层)、石墨烯量子点以及这些石墨烯类材料的衍生物)。所述石墨烯材料的定义可参见文献“Allin the graphene family–A recommendednomenclature for two‐dimensional carbon materials”。所述石墨烯材料还可以选自厚度≤20nm，更优选地，厚度≤10nm的材料。在本实施例中，该石墨烯材料的厚度优选≤3nm，石墨烯材料越薄，柔韧性越好，越容易加工。所述石墨烯材料的的制备方法不限，采用本领域技术人员熟知的石墨烯产品或用常规的制备方法制备即可。石墨烯材料可以选自化学氧化法如Brodie法、Hummers法或Staudenmaier法中的任意一种方法制备的氧化石墨烯经热膨胀制得的石墨烯材料。也可以选用机械剥离、液相剥离或电化学剥离制备的石墨烯材料。所述石墨烯还可包含有其他非碳元素，如氧、氮、氢、硫元素。优选的，所述石墨烯为单层片状的石墨烯或者层数为2～100的多层石墨烯。
所述阻燃剂的作用为使所述石墨烯导热塑料具有阻燃性。所述阻燃剂为有机阻燃剂和/或无机阻燃剂，所述有机阻燃剂为溴系阻燃剂、磷氮系阻燃剂、氮系阻燃剂和红磷中的至少一种，所述无机阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝，硅系阻燃剂中的至少一种。
所述分散剂为一种表面活性剂，用于促进石墨烯的均匀分散。所述分散剂为脂肪酸类分散剂或/和石蜡类分散剂，所述脂肪酸类分散剂为乙撑基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯中的至少一种。
所述抗氧剂的作用为延缓所述石墨烯导热塑料的老化。所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂和/或受阻酚类抗氧剂，所述芳香胺类抗氧剂为二苯胺、对苯二胺中的至少一种，所述受阻酚类抗氧剂为2，6‐三级丁基‐4‐甲基苯酚、季戊四醇酯中的一种或几种。
本发明还提供一种石墨烯导热塑料的制备方法，其包括以下步骤：
S1，将树脂加入双螺杆挤出机的筒体；
S2，将石墨烯、分散剂、抗氧剂、偶联剂和助剂混合均匀得到一混合物，然后将该混合物加入双螺杆挤出机的筒体，其中，所述助剂由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成；以及
S3，将阻燃剂加入双螺杆挤出机；
S4，通过双螺杆挤出机进行挤出造粒得到石墨烯导热塑料。
在步骤S2中，所述石墨烯可为粉末态或者浆料的形式加入。通过高速混合机将石墨烯、分散剂、抗氧剂、偶联剂和助剂于80℃～100℃下混合5分钟～15分钟得到所述混合物。
其他步骤不做赘述。
与现有技术相比较，本发明提供的石墨烯导热塑料及其制备方法具有以下优点：第一，先将石墨烯和偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂等混合，可提高石墨烯的分散性能，使得石墨烯能够充分均匀分散于石墨烯导热塑料中；第二，由于助剂中包含氧化镁、氧化铝和碳化硅，所述氧化镁、氧化铝和碳化硅的导热性能优异，可进一步提高石墨烯导热塑料的导热性能。本制备方法简单易行，易于操作，适合产业化。得到的所述石墨烯导热塑料具有良好的导热性能，而可应用于散热器等领域中，具有良好的应用前景。
以下，将结合具体的实施例进一步说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
本发明中涉及到的塑料所需的原料均为市售。
氧化镁购自邢台市镁神化工有限公司，粒径大小为400目；氧化铝购自东莞东超新材料科技有限公司，粒径大小为400目；碳化硅购自郑州景峰耐磨材料有限公司，颗粒大小为800目。
石墨烯原料，石墨烯粉、石墨烯浆料为市售，购自宁波墨西科技有限公司。
实施例1
一种导热塑料，按重量百分比计算，其组成及含量如下：
其中，所述树脂为聚酰胺尼龙66；
所述的阻燃剂为氮系阻燃剂MCA‐12(三聚氰胺尿酸酯)；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂；
所述的分散剂为乙撑基双硬脂酰胺EBS；
所述的抗氧剂为抗氧剂1098；
上述的导热塑料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将树脂由双螺杆挤出机的第一节筒体口(主喂料口)加入；
(2)将石墨烯、偶联剂、氧化镁、氧化铝、碳化硅、抗氧剂、分散剂放入高速混合机中混合5min，温度控制在80℃，后由双螺杆挤出机的第一段筒体加入；
(3)将阻燃剂由双螺杆挤出机的第五段筒体加入；
(4)然后控制双螺杆挤出机的转速为600r/min进行挤出并造粒。
其中所述双螺杆挤出机中各区温度如下：一区温度为100℃，二区温度为300℃，三区温度为300℃，四区温度为300℃，五区温度为300℃，六区温度为300℃，七区温度为300℃，八区温度为300℃，九区温度为300℃，十区温度为300℃，十一区温度为300℃，十二区温度为300℃，机头温度为300℃；
(5)将造粒后所得的粒子放入烘箱中控制温度为100℃烘6h，得到导热塑料母粒。
实施例2
一种导热塑料，按重量百分比计算，其组成及含量如下：
其中，所述树脂为ABS；
所述的阻燃剂为三氧化二锑和十溴二苯乙烷按质量比1:5的混合物；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂；
所述的分散剂为液体石蜡；
所述的抗氧剂为抗氧剂1098；
上述的导热塑料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将树脂由双螺杆挤出机的第一节筒体口(主喂料口)加入。
(2)将石墨烯、偶联剂、氧化镁、氧化铝、碳化硅、抗氧剂、分散剂放入高速混合机中混合10min，温度控制在85℃，后由双螺杆挤出机第一段筒体加入；
(3)将阻燃剂由双螺杆挤出机的第五段筒体加入；
(4)然后控制双螺杆挤出机的转速为600r/min进行挤出并造粒；
所述的挤出机中各区温度如下：一区温度为100℃，二区温度为205℃，三区温度为205℃，四区温度为205℃，五区温度为205℃，六区温度为205℃，七区温度为200℃，八区温度为200℃，九区温度为195℃，十区温度为195℃，十一区温度为195℃，十二区温度为195℃，机头温度为220℃；
(5)将造粒后所得的粒子放入烘箱中控制温度为100℃烘6h，得到导热塑料母粒。
实施例3
一种导热塑料，按重量百分比计算，其组成及含量如下：
其中，所述树脂为聚酰胺尼龙6；
所述的阻燃剂为氮系阻燃剂MCA‐12(三聚氰胺尿酸酯)；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂；
所述的分散剂为乙撑基双硬脂酰胺EBS；
所述的抗氧剂为抗氧剂1098；
上述的导热塑料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将树脂由双螺杆挤出机的第一节筒体口(主喂料口)加入；
(2)将石墨烯、偶联剂、氧化镁、氧化铝、碳化硅、抗氧剂、分散剂放入高速混合机中混合5min，温度控制在90℃，后由双螺杆挤出机第一段筒体加入；
(3)将阻燃剂由双螺杆挤出机的第五段筒体加入；
(4)然后控制双螺杆挤出机的转速为600r/min进行挤出并造粒；
所述双螺杆挤出机中各区温度如下：一区温度为100℃，二区温度为260℃，三区温度为260℃，四区温度为260℃，五区温度为260℃，六区温度为260℃，七区温度为260℃，八区温度为260℃，九区温度为260℃，十区温度为260℃，十一区温度为260℃，十二区温度为260℃，机头温度为280℃；
(5)将造粒后所得的粒子放入烘箱中控制温度为100℃烘6h，得到导热塑料母粒。
对比例1
所用配方与制法与实施例1相同，唯一区别是其中未加入石墨烯。
对比例2
所用配方与制法与实施例1相同，唯一区别是其中只加入石墨烯，不加入氧化镁、氧化铝、碳化硅。
将实施例1得到的塑料与对比例1的塑料进行测试，使用耐驰公司激光导热仪器(LFA 457)得到结果如表1所示。
表1
由表1可见，本发明实施例1至3所得的石墨烯导热塑料的导热明显优于对比例1的塑料，这说明加入石墨烯能有效提高塑料的导热性能。另，实施例1至3所得的石墨烯导热塑料的导热性能优于对比例2的塑料，这说明通过氧化镁、氧化铝以及碳化硅的加入，能够将石墨烯有效的分散开，使石墨烯与氧化镁、氧化铝、碳化硅形成有机复合，在高分子的树脂中形成有效的导热网络，从而提高所述石墨烯导热塑料的热导率。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯导热塑料，包括树脂、石墨烯、阻燃剂、偶联剂、分散剂、抗氧剂和助剂，其中，所述助剂为由氧化镁、氧化铝和碳化硅组成的混合物，各组分在该石墨烯导热塑料中的质量百分数如下：树脂80％，石墨烯5％，阻燃剂6％，分散剂2％，抗氧剂0.8％，偶联剂0.2％，助剂6％，所述助剂中氧化镁、氧化铝与碳化硅的质量比为3：2：1。
2.如权利要求1所述的石墨烯导热塑料，其特征在于，所述树脂为聚碳酸酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰胺、聚苯硫醚中的一种。
3.如权利要求1所述的石墨烯导热塑料，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯或者层数为2～100的多层石墨烯。
4.如权利要求1所述的石墨烯导热塑料，其特征在于，所述阻燃剂为有机阻燃剂和/或无机阻燃剂，所述有机阻燃剂为溴系阻燃剂、磷氮系阻燃剂、氮系阻燃剂中的至少一种，所述无机阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、红磷中的至少一种。
5.如权利要求1所述的石墨烯导热塑料，其特征在于，所述分散剂为脂肪酸类分散剂或/和石蜡类分散剂，所述脂肪酸类分散剂为乙撑基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯中的至少一种。
6.如权利要求1所述的石墨烯导热塑料，其特征在于，所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂和/或受阻酚类抗氧剂，所述芳香胺类抗氧剂为二苯胺、对苯二胺中的至少一种，所述受阻酚类抗氧剂为2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、季戊四醇酯中的一种或几种。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的石墨烯导热塑料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将树脂加入双螺杆挤出机的筒体；
(2)将石墨烯、分散剂、抗氧剂、偶联剂和助剂混合均匀得到一混合物，然后将该混合物加入双螺杆挤出机的筒体；
(3)将阻燃剂加入双螺杆挤出机；以及
(4)通过双螺杆挤出机进行挤出造粒得到石墨烯导热塑料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤⑵中通过高速混合机将石墨烯、分散剂、抗氧剂、偶联剂和助剂于80℃～100℃下混合5分钟～15分钟得到所述混合物。
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