CN106977909B - 一种导热材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导热材料及其制备方法和应用，该导热材料按质量份包括以下组分：基材40‑60份；石墨粉25‑30份；异构醇醚3‑10份；氧化石墨烯3‑8份；偶联剂2‑5份；所述基材为聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚苯硫醚中的任意一种；以及任选地增韧剂、防火剂和润滑剂。所述导热材料通过双螺杆挤出工艺高温聚合成型得到。本发明制备的导热材料具有优异的导热性能，其导热系数可达11w/mk；可替代现有的部分金属制品，实现产品的轻量化；将其应用于大功率散热产品中时能够实现良好的散热功能，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。

Description

一种导热材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料制备领域，具体涉及一种导热材料及其制备方法和应用。
背景技术
大功率散热产品，尤其是电子元器件，其在工作状态下，随着工作时间的延长会产生大量的热量，热量如果不能及时散去，会在产品的内部积聚，轻则影响元件自身性能，加剧材料的老化速度，缩短其应用寿命，重则将元件烧坏，产生意外事故，造成重大的损失。
现有技术一般通过在产品中添加具有散热功能的结构件来解决散热问题。例如CN105848453A公开了一种大功率元器件散热片，通过在大功率元器件中增设一个散热片来达到将热量散发出去的目的。然而电子电气领域的器件结构比较紧凑，增加散热器件会缩小产品可利用的空间，因而如何有效散热仍然是一个重要的问题。
近年来，许多人把研究的方向聚焦到如何增加材料本身的导热性上来。一般来说，纯塑料材料的导热系数远远不及金属、陶瓷材料，但是它的绝缘性能好。未经改性的普通塑料的导热系数很低，一般为0.2-0.46W/mK左右，而经过热传导改性的导热塑料可依据产品要求大大提高其导热系数。导热塑料不仅具有金属和陶瓷的热传递性能，同时还保留了普通塑料在设计、性能和成本方面的优点，具有散热均匀、重量轻、多种基础树脂的选择、成型加工方便、热膨胀系数低、成型收缩率低、工作温度低和提高设计自由度特点。以导热塑料替代一些对制品尺寸有严格要求或对绝缘性和散热性同时要求的金属产品，在工程应用方面意义重大，不仅实现了轻量化，更大大降低了成本。
CN106366583A公开了一种导热材料，通过向以PBT基材中加入氧化镁、氧化铝、氧化锌以及石墨等导热物质，得到了导热系数为1-8W/mK的材料。该导热材料具有良好的缝隙填充能力和塑形性，能够起到很好的热传递作用。CN105462241A公开了一种聚酰胺PA6导热材料，通过向聚酰胺PA6原料中加入了氧化镁，提高聚酰胺材料的导热性能，其导热系数可达2.1W/mK。CN104403311A公开了一种尼龙导热材料，通过向尼龙基材中加入氮化铝和碳化硅的混合物来改善材料的导热性能，其导热系数可达5W/mK。
现有技术一般都是通过向材料中添加碳基材料、金属或金属氧化物来改进材料的导热性能，然而由于接触方式以及分散程度的问题，现有的导热材料的导热性能仍然不足，亟待开发导热性能更强的材料。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种导热材料及其制备方法和应用，该导热材料具有优异的导热性能，其导热系数可达11W/mK，可替代部分金属制品实现产品的轻量化，应用于大功率散热产品中时能够实现良好的散热功能，具有广阔的应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种导热材料，所述导热材料按质量份包括以下组分：
所述基材为聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚苯硫醚(PPS)中的任意一种。
现有的聚合物基材和石墨构成的复合材料中，石墨分散在基材中，二者以物理的方式相处接触，对复合材料的导热性能提高有限。本发明中，石墨具有共轭结构，氧化石墨烯本身也具有共轭结构，二者的π体系之间可以发生相互作用，使氧化石墨烯分子嵌入到石墨分子之间；而氧化石墨烯同时含有羧基、羰基等含氧官能团，可以与异构醇醚中的氧原子形成氢键；异构醇醚本身作为聚合物，与基材本身具有良好的相容性。因此，氧化石墨烯与异构醇醚之间产生协同作用，起到连接基材和石墨的作用，使得基材和石墨之间形成特殊连接结构，进而大幅提高了材料的导热性能。
根据本发明，按质量份计，所述导热材料中基材的含量为40-60份，例如可以是40份、43份、45份、47份、50份、53份、55份、58份或60份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，按质量份计，所述导热材料中石墨粉的含量为25-30份，例如可以是25份、26份、27份、28份、29份或30份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，按质量份计，所述导热材料中异构醇醚的含量为3-10份，例如可以是3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，按质量份计，所述导热材料中氧化石墨烯的含量为3-8份，例如可以是3份、4份、5份、6份、7份或8份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，按质量份计，所述导热材料中偶联剂的含量为2-5份，例如可以是2份、3份、4份或5份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，所述异构醇醚为异构十醇聚氧乙烯醚、异构十一醇聚氧乙烯醚或异构十三醇聚氧乙烯醚中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是异构十醇聚氧乙烯醚、异构十一醇聚氧乙烯醚或异构十三醇聚氧乙烯醚中的任意一种；典型但非限定性的组合为异构十醇聚氧乙烯醚和异构十一醇聚氧乙烯醚；异构十醇聚氧乙烯醚和异构十三醇聚氧乙烯醚；异构十一醇聚氧乙烯醚和异构十三醇聚氧乙烯醚；异构十醇聚氧乙烯醚、异构十一醇聚氧乙烯醚和异构十三醇聚氧乙烯醚。
本发明对石墨粉的种类和粒径不进行特殊限定，市售的石墨粉均适用于本发明。
根据本发明，所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
根据本发明，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂Z-601或硅烷偶联剂KH792中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂Z-601或硅烷偶联剂KH792中的任意一种；典型但非限定性的组合为：硅烷偶联剂KH550和硅烷偶联剂KH570；硅烷偶联剂Z-601和硅烷偶联剂KH792；硅烷偶联剂KH550和硅烷偶联剂Z-601；硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂Z-601和硅烷偶联剂KH792；硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂Z-601和硅烷偶联剂KH792等，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述导热材料按质量份计含有1-3份增韧剂，所述增韧剂的含量可以是1份、1.5份、2份、2.5份或3份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，所述增韧剂为三元乙丙橡胶、聚丁二烯橡胶或氯化聚乙烯中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是三元乙丙橡胶、聚丁二烯橡胶或氯化聚乙烯中的任意一种；典型但非限定性的组合为：三元乙丙橡胶和聚丁二烯橡胶；三元乙丙橡胶和氯化聚乙烯；聚丁二烯橡胶和氯化聚乙烯；三元乙丙橡胶、聚丁二烯橡胶和氯化聚乙烯。
根据本发明，所述导热材料按质量份计含有0.2-0.4份的防火剂，所述防火剂的含量可以是0.2份、0.25份、0.3份、0.35份或0.4份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，所述防火剂为氯化石蜡、聚氯乙烯或含磷树脂中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是氯化石蜡、聚氯乙烯或含磷树脂中的任意一种；典型但非限定的组合为：氯化石蜡和聚氯乙烯；氯化石蜡和含磷树脂；聚氯乙烯和含磷树脂；氯化石蜡、聚氯乙烯和含磷树脂。
根据本发明，所述导热材料按质量份计含有0.1-0.5份的润滑剂，所述润滑剂的含量可以是0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡或硬脂酸单甘油酯中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡或硬脂酸单甘油酯中的任意一种；典型但非限定性的组合为：乙撑双硬脂酰胺和聚乙烯蜡；乙撑双硬脂酰胺和硬脂酸单甘油酯；聚乙烯蜡和硬脂酸单甘油酯；乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡和硬脂酸单甘油酯。
作为优选的技术方案，本发明所述导热材料按质量份包括以下组分：
所述基材为聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚苯硫醚(PPS)中的任意一种。
作为进一步优选的技术方案，本发明所述导热材料按质量份包括以下组分：
所述基材为聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚苯硫醚(PPS)中的任意一种。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的导热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构醇醚混合后加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的基材、偶联剂以及任选地润滑剂、任选地增韧剂以及任选地防火剂混合后加入双螺杆挤出机；
(3)利用双螺杆挤出机进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到所述导热材料。
根据本发明，步骤(1)和步骤(2)所述混合在高速混合机中进行。
根据本发明，步骤(1)所述混合的温度为70-100℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(1)所述混合的时间为10-20min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(2)所述混合的温度为20-40℃，例如可以是20℃、25℃、30℃、35℃或40℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(2)所述混合的时间为5-10min，例如可以是5min、6min、7min、8min、9min或10min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(3)所述双螺杆挤出机中螺杆转速为400-500r/min，例如可以是400r/min、410r/min、420r/min、430r/min、440r/min、450r/min、460r/min、470r/min、480r/min、490r/min或500r/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(3)所述挤出造粒的温度为240-300℃，例如可以是240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
作为优选的技术方案，本发明所述导热材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构醇醚加入高速混合机，在70-100℃下混合10-20min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的基材、偶联剂以及任选地润滑剂、任选地增韧剂以及任选地防火剂加入高速混合机，在20-40℃下混合5-10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为400-500r/min，在240-300℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到所述导热材料。
第三方面，本发明提供如第一方面所述的导热材料的应用，所述导热材料应用于大功率散热产品的制备中。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明得到了一种高导热材料，其导热系数可达11w/mk。
(2)本发明制备的导热材料具有优异的导热性能，可替代部分金属制品，实现产品的轻量化，同时降低了生产成本。
(3)本发明制备的导热材料，应用于大功率散热产品中时能够实现良好的散热功能，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
按以下组分进行配料：
基材52份；石墨粉30份；异构醇醚7份；氧化石墨烯5份；偶联剂3份；增韧剂2.5份；润滑剂0.3份；防火剂0.2份。
所述基材选用聚酰胺，异构醇醚选用异构十醇聚氧乙烯醚，偶联剂选用硅烷偶联剂Z-601，增韧剂选用氯化聚乙烯，润滑剂选用乙撑双硬脂酰胺，防火剂选用聚氯乙烯。
按照以下方法制备导热材料：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构十醇聚氧乙烯醚加入高速混合机，在90℃下混合15min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的聚酰胺、硅烷偶联剂Z-601、乙撑双硬脂酰胺、氯化聚乙烯以及聚氯乙烯加入高速混合机，在30℃下混合10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为450r/min，在280℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到导热材料。
实施例2
按以下组分进行配料：
基材45份；石墨粉28份；异构醇醚10份；氧化石墨烯8份；偶联剂5份；增韧剂3份；润滑剂0.5份；防火剂0.4份。
所述基材选用聚乙烯树脂，异构醇醚选用异构十一醇聚氧乙烯醚，偶联剂选用硅烷偶联剂KH550，增韧剂选用氯化聚乙烯，润滑剂选用聚乙烯蜡，防火剂选用氯化石蜡。
按照以下方法制备导热材料：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构十一醇聚氧乙烯醚加入高速混合机，在100℃下混合10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的聚乙烯树脂、硅烷偶联剂KH550、氯化聚乙烯、聚乙烯蜡以及氯化石蜡加入高速混合机，在40℃下混合8min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为500r/min，在300℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到导热材料。
实施例3
按以下组分进行配料：
基材60份；石墨粉25份；异构醇醚5份；氧化石墨烯3份；偶联剂5份；增韧剂1.5份；润滑剂0.1份；防火剂0.4份。
所述基材选用聚对苯二甲酸丙二醇酯，异构醇醚选用异构十三醇聚氧乙烯醚，偶联剂选用硅烷偶联剂KH570，增韧剂选用三元乙丙橡胶，润滑剂选用聚乙烯蜡，防火剂选用氯化石蜡。
按照以下方法制备导热材料：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构十三醇聚氧乙烯醚加入高速混合机，在70℃下混合20min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的聚对苯二甲酸丙二醇酯、硅烷偶联剂KH570、三元乙丙橡胶、聚乙烯蜡以及氯化石蜡加入高速混合机，在20℃下混合10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为400r/min，在240℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到导热材料。
实施例4
按以下组分进行配料：
基材55份；石墨粉28份；异构醇醚7份；氧化石墨烯4份；偶联剂4份；增韧剂2份。
所述基材选用聚苯硫醚，异构醇醚选用异构十醇聚氧乙烯醚，偶联剂选用硅烷偶联剂Z-601，增韧剂选用氯化聚乙烯。
按照以下方法制备导热材料：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构十醇聚氧乙烯醚，加入高速混合机，在80℃下混合15min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的聚苯硫醚、硅烷偶联剂Z-601和氯化聚乙烯加入高速混合机，在25℃下混合8min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为480r/min，在265℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到导热材料。
实施例5
按以下组分进行配料：
基材56份；石墨粉29份；异构醇醚8份；氧化石墨烯5份；偶联剂2份。
所述基材选用聚酰胺，异构醇醚选用异构十醇聚氧乙烯醚，偶联剂选用硅烷偶联剂Z-601。
按照以下方法制备导热材料：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构十醇聚氧乙烯醚，加入高速混合机，在90℃下混合16min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的聚酰胺和硅烷偶联剂Z-601加入高速混合机，在30℃下混合10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为500r/min，在300℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到导热材料。
对比例1
与实施例1相比，除了配方中没有异构醇醚，氧化石墨烯由5份变为12份，相应的制备过程中不加入异构醇醚外，其他配方组分以及制备条件与实施例1均相同。
对比例2
与实施例1相比，除了配方中没有氧化石墨烯，异构醇醚由7份变为12份，相应的制备过程中不加入氧化石墨烯外，其他配方组分以及制备条件与实施例1均相同。
对比例3
与实施例1相比，除了配方中没有异构醇醚和氧化石墨烯，相应的制备过程中不加入异构醇醚和氧化石墨烯外，其他配方组分以及制备条件与实施例1均相同。
性能测试：
将各实施例和对比例制得的导热材料分别制成100mm*120mm*2mm的板状材料，采用热线法导热系数仪TC3000E测试其导热系数，测试结果如表1所示。
表1
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (19)

1.一种导热材料，其特征在于，所述导热材料按质量份包括以下组分：
所述基材为聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚苯硫醚中的任意一种。
2.如权利要求1所述的导热材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
3.如权利要求2所述的导热材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂Z-601或硅烷偶联剂KH792中的任意一种或至少两种的组合。
4.如权利要求1所述的导热材料，其特征在于，所述导热材料按质量份计含有1-3份增韧剂。
5.如权利要求4所述的导热材料，其特征在于，所述增韧剂为三元乙丙橡胶、聚丁二烯橡胶或氯化聚乙烯中的任意一种或至少两种的组合。
6.如权利要求1所述的导热材料，其特征在于，所述导热材料按质量份计含有0.2-0.4份的防火剂。
7.如权利要求6所述的导热材料，其特征在于，所述防火剂为氯化石蜡、聚氯乙烯或含磷树脂中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求1所述的导热材料，其特征在于，所述导热材料按质量份计含有0.1-0.5份的润滑剂。
9.如权利要求8所述的导热材料，其特征在于，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡或硬脂酸单甘油酯中的任意一种或至少两种的组合。
10.如权利要求1-9任一项所述的导热材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构醇醚混合后加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的基材、偶联剂以及任选地润滑剂、任选地增韧剂以及任选地防火剂混合后加入双螺杆挤出机；
(3)利用双螺杆挤出机进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到所述导热材料。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)所述混合在高速混合机中进行。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的温度为70-100℃。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的时间为10-20min。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述混合的温度为20-40℃。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述混合的时间为5-10min。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述双螺杆挤出机中螺杆转速为400-500r/min。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述挤出造粒的温度为240-300℃。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及异构醇醚加入高速混合机，在70-100℃下混合10-20min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(2)将配方量的基材、偶联剂以及任选地润滑剂、任选地增韧剂以及任选地防火剂加入高速混合机，在20-40℃下混合5-10min后，将混合料加入双螺杆挤出机；
(3)控制双螺杆挤出机中螺杆转速为400-500r/min，在240-300℃下进行挤出造粒，经过牵引，冷却，切粒得到所述导热材料。
19.如权利要求1-9任一项所述的导热材料的应用，其特征在于，所述导热材料应用于大功率散热产品的制备中。
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