CN106188621B - 一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法是将树脂、溶剂在机械搅拌下制成供浸渍用的浸渍液，将浸渍液在常温常压下浸入高导热炭材料，烘干，模压或注塑成型。本方法具有面向和轴向均为高导热，成本低的优点。

Description

一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法。
背景技术
自从LED灯具广泛应用以来，在世界范围内掀起了导热塑料的研究开发热潮，并由此带动了导热塑料在其它领域的研发和应用。陶瓷、金属、塑料、炭材料这四大材料在推动人类文明进步史上发挥了巨大的作用，可以说人类文明的进步史也是一部材料的发展史。随着科学技术的发展和人类探索自然范围的拓展，上述单一材料的使用逐渐地在某些应用方面显示出不足，而利用各个材料的优点，通过取长补短，制备出复合材料是实践需求的必然选择。为实现有效的热控制，对材料的导热性能提出了越来越高的要求。作为传统的导热材料，金属材料在某些领域中的应用受到一定限制。炭材料由于组成元素C的成键方式的多样性，和制备技术的多元化，已制备出许多结构和形貌各异的高导热材料，如人造金刚石膜（2000W/mk）、高定向热解石墨(1900W/mk)、炭/炭复合材料(300-600W/mk)、单层石墨烯（6000W/mk）、中间相沥青基石墨纤维(1100W/mk)、单壁碳纳米管（5000W/mk）、气相生长石墨纤维(2000W/mk)等等。陶瓷材料也有许多导热性较好的品种，如BN(120W/mk)、AlN(150W/mk)、SiC(100W/mk)等，是制备绝缘导热塑料的不二选择。高分子有机物塑料具有绝缘、质轻、耐腐蚀、韧性好、易加工等特点，但其导热率非常低，一般在0.1-0.5W/mk间，因此为了利用其优势性能而克服其导热性差的缺点，作为热管理材料应用，必须对其导热性进行改善。根据材料的微观结构决定性能的原则以及固体导热机理，提高塑料的导热性能的途径主要通过如下两种方法实现：1）本证导热塑料制备法。该法通过化学合成方法，制备结晶性比较高、聚合物高分子链中含有高导热性的官能团以及高分子链取向比较规整的高分子树脂，如聚苯炔、聚吡咯、聚苯胺等，这种聚合物通过电子导热机制实现导热，但该法制备工艺复杂，成本昂贵；2）填料法。该法以普通的、价格便宜的绝缘高分子树脂为基体，通过外加高导热组元如高导热陶瓷、金属、炭材料来提高塑料的导热性，其导热机理属声子导热方式。两相比较，方法2制备工艺比较简单，成本较低。目前通过填料法来制备导热塑料，一般填料与树脂的共混多采用溶液共混、粉末共混、熔融共混三种方法。通过这三种混合方法制备的导热塑料之所以面向导热率低的原因在于：复合物的微观结构是以树脂包裹导热组员为特征，使得导热填料间的热阻较大。
发明内容
本发明鉴于目前国内外市场上导热塑料面向导热性不足，特别是轴向导热率较低的问题，提供一种面向和轴向均为高导热，成本低的高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法。
面向热导率在1-5 W/mk的塑料即可被称为导热塑料；在5-10W/mk的为高导热塑料；＞10W/mk的被称为超高导热塑料，这种塑料既有绝缘型的，也有导电型的，主要由填料的电导性所决定。
本发明由于所制的导热塑料具有炭材料包覆树脂的结构特征，因此在内部容易形成三维导热骨架网络，正是这种特别的结构使得本发明制备的塑料双向具有良好导热性能，由于成型工艺所定以及炭材料的各向异性结构特征，所制的导热塑料的面向导热率(in-plane)为40-150W/mk，轴向导热率(through-plane)为5-10W/mk。在本发明中，中间相沥青基石墨纤维起石墨微晶包覆树脂的作用，从而构成三维导热骨架网络。本发明中所用的基体高分子树脂由于本身是热的不良导体，因此对导热塑料的导热性能的贡献可忽略不计，而不同基体材料主要体现在最终导热塑料的力学强度上的差别。由此可见本发明制备的导热塑料不仅从面向导热来看属于超高导热塑料，而且从轴向导热来看也属于高导热塑料。这种两个方向均具有良好导热性能的塑料，在面向有利于均热，避免局部灼热点，减少零件因高温造成的局部变形；而轴向良好的导热性能有利于热传导，因此这种高导热塑料可以用作化工生产和废水处理中的热交换器、导热管、太阳能热水器及蓄电池冷却器；在航空领域有可能作为战斗机的隐身材料；在电子领域可以作为抗静电、电磁干扰/射频干扰屏蔽材料；外部通过涂刷导热绝缘漆，可以应用在微电子领域。总之，这种高导热塑料在热管理需求的领域有着广泛的应用前景。
本发明采用了有别于前述的填料与树脂基体混合方法-浸渍法，该工艺过程包括：
(1)将树脂、溶剂在机械搅拌下制成供浸渍用的浸渍液，其中树脂：溶剂的质量比为1：（2 -4）；
(2)将上述配好的浸渍液在常温常压下浸入高导热炭材料，其中高导热炭材料：树脂的质量比为1：（1-9）；
(3)在烘干温度为50-70℃、烘干时间为1-2hr的条件下，将步骤(2)得到制品烘干；
(4)将烘干后的制品在压力为50-150Mpa，成型温度为50-300℃条件下，模压或注塑成型。
如上所述的树脂为环氧树脂、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）。
如上所述的浸渍用乳液中所用溶剂为丙酮或甲苯。
如上所述的搅拌的转速为500-1000rpm。
如上所述的高导热炭材料是表观密度为0.2-0.6 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡。
本发明制备的高导热热塑性炭/塑料复合材料的面向导热率(in-plane)为40-150W/mk、轴向导热率(through-plane)为5-10W/mk，密度为1.0-1.45g/cm3。
另外，本发明所用炭材料、树脂、溶剂均在国内市场上购买。
本发明以高分子树脂为基体，以中间相沥青基石墨纤维为导热增强组元，通过树脂/溶剂浸渍低密度块状中间相沥青基石墨纤维毡，形成微观结构具有石墨微晶包覆树脂特征的导热塑料，制备的导热塑料的热导率在垂直于成型压力方向为40-150W/mk(in-plane themal conductivity)，而在平行于成型压力方向的热导率为5-10W/mk(through-plane thermal conductivity)。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明制备的导热塑料的面向、轴向热导率均远高于现有技术制备的导热塑料面向、轴向导热率，属于双向导热塑料，就面向导热而言，属超高导热塑料；就轴向导热而言，属高导热塑料；
2、本发明制备的导热塑料的微观结构具有石墨微晶包裹树脂的结构特征；
3、本发明制备的导热塑料的导热途径主要由石墨纤维毡构成的三维导热骨架网络构成；
4、本发明中树脂与导热填料的均匀混合方法主要是通过液体浸渍法完成。
具体实施方式
实施例1
按环氧树脂、丙酮溶剂的质量比例为1：2，在转速为500rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.6 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与环氧树脂的质量比为1：9；浸渍后在常压50℃下烘干1hr，烘干后在成型压力50Mpa、温度为50℃条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.0 g/cm3，面向导热率为40W/mk，轴向导热率为5W/mk；
实施例2
按环氧树脂、丙酮溶剂质量比例为1：3，在转速为750rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的流体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.4 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与环氧树脂的质量比为1：2；浸渍后在常压60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型压力100Mpa、温度为60℃下条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.20 g/cm3，面向导热率为96W/mk，轴向导热率为8W/mk；
实施例3
环氧树脂、丙酮溶剂间的质量比例为1：4，在转速为1000rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.2 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与环氧树脂的质量比为1：1；浸渍后在常压70℃下烘干2hr，烘干后在成型压力150Mpa、温度70℃条件下经模压成型，所制的导热塑料的密度为1.45 g/cm3，面向导热率为150W/mk，轴向导热率为10W/mk；
实施例4
ABS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：2，在转速为500rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.6 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与ABS树脂的质量比为1：9；浸渍后在常压50℃下烘干1hr，烘干后在成型压力50Mpa、温度150℃条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.0 g/cm3，面向导热率为42W/mk，轴向导热率为7.5W/mk；
实施例5
ABS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：3，在转速为750rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.4 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与ABS树脂的质量比为1：2；浸渍后在常压60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型压力100Mpa、温度160℃条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.2 g/cm3，面向导热率为105W/mk，轴向导热率为7.3W/mk；
实施例6
ABS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：4，在转速为1000rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.2 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与ABS树脂的质量比为1：1；浸渍后在常压70℃下烘干2hr，烘干后在成型压力150Mpa、温度170℃条件下经模压成型，所制的导热塑料的密度为1.45 g/cm3，面向导热率为150W/mk，轴向导热率为10W/mk。
实施例7
PPS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：2，在转速为500rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.6 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与PPS树脂的质量比为1：9；浸渍后在常压50℃下烘干1hr，烘干后在成型压力50Mpa、温度260℃条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.0 g/cm3，面向导热率为41W/mk，轴向导热率为7.2 W/mk；
实施例8
PPS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：3，在转速为750rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.4 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与ABS树脂的质量比为1：2；浸渍后在常压60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型压力100Mpa、温度280℃条件下经注塑成型，所制的导热塑料的密度为1.2 g/cm3，面向导热率为107W/mk，轴向导热率为8.5W/mk；
实施例9
PPS树脂、甲苯溶剂间的质量比例为1：4，在转速为1000rpm机械搅拌下，制成供浸渍用的液体；在常温常压下用该液体浸渍表观密度为0.2 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡，其与ABS树脂的质量比为1：1；浸渍后在常压70℃下烘干2hr，烘干后在成型压力150Mpa、温度300℃条件下经模压成型，所制的导热塑料的密度为1.45 g/cm3，面向导热率为150W/mk，轴向导热率为10W/mk。

Claims (3)

1.一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将树脂、溶剂在机械搅拌下制成供浸渍用的浸渍液，其中树脂：溶剂的质量比为1：2-4；
(2)将上述配好的浸渍液在常温常压下浸入高导热炭材料，其中高导热炭材料：树脂的质量比为1：1-9；
(3)在烘干温度为50-70℃、烘干时间为1-2hr的条件下，将步骤(2)得到制品烘干；
(4)将烘干后的制品在压力为50-150Mpa，成型温度为50-300℃条件下，模压或注塑成型；
所述的树脂为环氧树脂或聚苯硫醚；
所述的浸渍用液中所用溶剂为甲苯；
所述的高导热炭材料是表观密度为0.2-0.6 g/cm3的中间相沥青基石墨纤维毡。
2.如权利要求1所述的一种高导热热塑性炭/塑料复合材料的制备方法，其特征在于所述的搅拌的转速为500-1000rpm。
3.如权利要求1或2所述方法制备的高导热热塑性炭/塑料复合材料，其特征在于制备的高导热热塑性炭/塑料复合材料的面向导热率为40-150W/mk、轴向导热率为5-10W/mk，密度为1.0-1.45g/cm3。
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