CN105400191B - 一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导热尼龙‑石墨‑低熔点金属复合材料及其制备方法，按重量百分比计，该复合材料的原料组分组成为：尼龙树脂20‑50％，石墨30‑60％，低熔点金属5‑20％，抗氧剂0.1‑1％，润滑剂0.1‑1％。本发明使用的低熔点金属具有较低的熔点和较高的导热系数，熔融状态下粘度低，低熔点金属的加入可以促进填料在基体的分散，提高导热性能，降低加工粘度。本发明使用的低熔点金属具有较低的熔点和较高的导热系数，熔融状态下粘度低，低熔点金属的加入可以促进填料在基体的分散，提高导热性能，降低加工粘度。本发明的复合材料具有导热系数高、密度低、力学及加工性能好、填料分散均匀等优点。

Description

一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热材料，特别是涉及一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料及其制备方法。
背景技术
随着工业化的不断发展，高分子材料在国民生产生活中的应用也越来越广泛，高分子材料的研发与应用也在不断的取得新的突破。在导热领域中，传统的导热材料如金属类的金、银、铜、铝、铁以及其他类别的导热材料虽然具有较好的导热性能，但是这些材料的成型加工比较困难，容易被腐蚀，价格较昂贵，密度大。传统导热材料的缺点恰恰给高分子材料在导热领域的应用中提供了机遇。高分子材料如尼龙树脂的成型加工相对比较容易，耐腐蚀，价格低廉，质轻，但是尼龙6或尼龙66的导热系数均低于0.3W-m·K，这限制了其在导热领域中的应用。
传统的增加尼龙导热系数的方法是向基体中添加固体状的导热填料。比如石墨、氧化铝、氮化硼、碳化硅或金属铝等。当填料添加量过大时，体系粘度将会急剧增大，影响加工性能，并且体系中大量存在的固体颗粒将会对加工设备造成较大磨耗。
中国发明专利申请2009100525155公开了一种应用于管材的导热高分子材料及其制备方法，该材料通过先制备可交联前体，再将可交联前体进行交联得到，所述的可交联前体包括以下组分和重量份含量：聚乙烯5-40，改性导热填料60-90，抗冲改性剂0-5，抗氧剂0.1-0.5，润滑剂0.1-1。改性导热填料包括石墨；抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；润滑剂为硬脂酸钙；制备方法为通过双螺杆挤出机加工。该发明主要涉及导热聚乙烯管材，导热高分子材料的改性导热填料用量高达60-90组分，不仅导热填料用量大，且可交联前体进行交联将会影响材料的加工性能，专利说明中也无具体的导热数据。
中国发明专利2012104373774公开了导热尼龙材料制作工艺，是由以下成分按重量比组成，尼龙：5-70％，导热纤维：3-45％；导热粉：20-70％；润滑剂：2-5％；偶联剂：0.2-1.0％；其他助剂：0.3-5.5％，该导热尼龙材料能够替代金属原材料生产零配件或外壳，他同时即具有尼龙较高的物理机械性能，同时又具有金属材质的导热、散热功能和热稳定性能，但该材料采用大量导热纤维及导热粉，容易造成材料的流动性差，加工困难，申请文件中未提到具体的导热系数，导热性能有待证实。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好导热性能和加工性能，力学性能优异的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料及其制备方法。
发明人研究发现：低熔点金属的熔点低的特点，在与聚合物共同加工的过程中呈粘度非常低的液态，并且具有较高的导热系数，在加工过程中有可能与聚合物熔体形成双连续的结构。虽然低熔点金属液态时表面张力大、粘度低，单独与聚合物熔融共混将会出现大量明显析出现象，但是在一定量石墨颗粒的存在下，可以抑制低熔点金属的析出，使其较好的分散于基体中。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，按重量百分比计，其原料组分组成为：
所述石墨为致密结晶状石墨、鳞片石墨或隐晶质石墨；
所述低熔点金属为熔点低于250℃的纯金属或金属合金粉体。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述尼龙树脂为尼龙6和尼龙66的一种或两种。
优选地，所述石墨的粒径为10-30μm。
优选地，按重量百分比计，所述低熔点金属的用量为10-20％。
优选地，所述低熔点金属为锡、铋或铟的金属单质或含有锡、铋和铟中一种或多种的合金粉体
优选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂3114、抗氧剂1098和抗氧剂168中的一种或多种。
优选地，所述润滑剂为硬脂酸酞胺、石蜡、N,N'-双乙撑硬脂酸酞胺、聚乙烯蜡、白矿油、聚丙烯蜡和硅氧烷中的一种或多种。
所述高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料的重量百分比称取原料；
(2)将称取的尼龙树脂、石墨、低熔点金属、抗氧剂和润滑剂在高速混合机混合均匀；
(3)将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，干燥，得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料。
优选地，所述高速混合机混合均匀的时间为5-10分钟。
优选地，所述双螺杆挤出机的螺杆温度210-270℃，主机转速180-250r-min。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和优异效果：
1)本发明使用的低熔点金属具有较低的熔点和较高的导热系数，熔融状态下粘度低，低熔点金属的加入可以促进填料在基体的分散，提高导热性能，降低加工粘度。
2)本发明利用低熔点金属的熔点低的特点，在与聚合物共同加工的过程中呈粘度非常低的液态，并且具有较高的导热系数，在加工过程中有可能与聚合物熔体形成双连续的结构。虽然低熔点金属液态时表面张力大、粘度低，单独与聚合物熔融共混将会出现大量明显析出现象，但是在一定量石墨颗粒的存在下，可以抑制低熔点金属的析出，使其较好的分散于基体中。
3)本发明所制备的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料具有导热系数高、密度低、力学及加工性能好、填料分散均匀等优点。
4)本发明所用的制备方法对生产设备要求低，效率高，便于大规模生产。
5)本发明材料所制备的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料综合性能优异，可应用于LED灯具、汽车、电子元器件以及计算机等的散热领域。
附图说明
图1为实施例1制备的一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的电镜图。
图2为实施例2制备的一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的电镜图。
图3为实施例5制备的一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的电镜图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
将34wt％的尼龙6、45wt％的20μm鳞片石墨、20wt％的锡粉、0.5wt％的抗氧剂1076、0.5wt％的白矿油于室温下在高速混合机混合10分钟，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度220-270℃，主机转速180r-min，干燥后得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料。经测试，其导热系数为5.364W-m·K，密度1.795g-cm3。对该材料进行微观形貌分析，如图1所示，导热填料在尼龙基体中分散良好，用该材料制得的样条进行力学性能测试，其拉伸强度为56MPa，弯曲强度78MPa。测试结果表明，本实施例制备的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料具有很高的导热系数，同时其密度低，而且其拉伸强度和弯曲强度等力学性能良好，总体综合性能好，本实施例的材料具有上述特点主要原因在于尼龙、石墨和低熔点金属能相互配合改进材料的导热性能，并较好的力学性能，尤其是本发明填料分散均匀，不会对材料的力学性能和加工性能构成不利影响，并能促进传热性能的提升。本发明利用了低熔点金属在与聚合物共同加工的过程中呈粘度非常低的液态，且具有较高的导热系数的特点，在加工过程中有可能与聚合物熔体形成双连续的结构。虽然低熔点金属液态时表面张力大、粘度低，单独与聚合物熔融共混将会出现大量明显析出现象，但是在一定量石墨颗粒的存在下，可以抑制低熔点金属的析出，使其较好的分散于基体中，图1证实了该特点。
实施例2
将37wt％的尼龙66、50wt％的15μm鳞片石墨、12wt％的锡粉、0.4wt％的抗氧剂1010、0.6wt％的硬脂酸酰胺于室温下在高速混合机混合5分钟，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度210-270℃，主机转速180r-min，干燥后得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，经检测，其导热系数为3.162W-m·K，密度1.695g-cm3。对该材料进行微观形貌分析，如图2所示，导热填料在尼龙基体中分散良好。
实施例3
将50wt％的尼龙66、30wt％的30μm致密结晶状石墨、18wt％的铋粉、0.5wt％的抗氧剂264、0.5wt％的抗氧剂168,1wt％的聚丙烯蜡于室温下在高速混合机混合10分钟，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度220-270℃，主机转速180r-min，干燥后得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料。
实施例4
将34wt％的尼龙6、60wt％的10μm隐晶质石墨、5wt％的铟粉、0.5wt％的抗氧剂3114、0.5wt％的乙撑双硬脂酰胺于室温下在高速混合机混合5分钟，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度220-270℃，主机转速180r-min，干燥后得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料。
实施例5
将33wt％的尼龙6、50wt％的20μm鳞片石墨、16wt％的锡、铋合金粉、0.5wt％的抗氧剂1098、0.5wt％的石蜡于室温下在高速混合机混合10分钟，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度220-270℃，主机转速180r-min，干燥后得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，经测试，其导热系数为3.879W-m·K，密度1.775g-cm3。对该材料进行微观形貌分析，如图3所示，用该材料制得的样条进行力学性能测试，其拉伸强度为55MPa，弯曲强度84MPa。

Claims (9)

1.一种高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，按重量百分比计，其原料组分组成为：
所述石墨为致密结晶状石墨、鳞片石墨或隐晶质石墨；
所述低熔点金属为锡。
2.根据权利要求1所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，所述尼龙树脂为尼龙6和尼龙66的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，所述石墨的粒径为10-30μm。
4.根据权利要求1所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述低熔点金属的用量为10-20％。
5.根据权利要求1所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂3114、抗氧剂1098和抗氧剂168中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸酰胺、石蜡、N,N'-双乙撑硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡、白矿油、聚丙烯蜡和硅氧烷中的一种或多种。
7.权利要求1-6任一项所述高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按原料的重量百分比称取原料；
(2)将称取的尼龙树脂、石墨、低熔点金属、抗氧剂和润滑剂在高速混合机混合均匀；
(3)将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，干燥，得到高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料。
8.根据权利要求7所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述高速混合机混合均匀的时间为5-10分钟。
9.根据权利要求7所述的高导热尼龙-石墨-低熔点金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的螺杆温度210-270℃，主机转速180-250r/min。
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