CN107760019A - 一种新型导热尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及一种新型导热尼龙复合材料及其制备方法，按照重量份数计，有以下原料制备而成：尼龙‑6 30～70份、导热填料30～70份、改性玻璃纤维10～30份、阻燃剂5～10份、偶联剂0.1～0.2份、抗氧剂0.1～0.2份；所述的改性玻璃纤维为玻璃纤维经过多巴胺表面改性后复合氮化铝，制备时，采用共混法即可。本发明利用多巴胺对玻璃纤维表面进改性，从而附着氮化铝微粒，以此提高玻璃纤维的导热性，并将改性的玻璃纤维加入到导热尼龙中，在增强导热尼龙制品机械性能的同时，并保证导热性的要求。

Description

一种新型导热尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种新型导热尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
导热尼龙因为其价格低，导热系数高，热辐射性能优越，在所有导热材料中应用最广泛。尤其是新兴的LED照明灯领域，高端产品基本都是用导热尼龙做散热材料的。和传统的铝材相比，塑料容易加工，成本低，而且热辐射性能更好。尼龙-6(PA-66)纯树脂的导热系数一般在0.3W/(m·K)左右，在树脂中添加一些导热填料后，尼龙材料的导热系数可以达到0.5-1.0，满足导热尼龙制品的导热要求，一般导热填料为氢氧化镁、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钛白粉、氮化铝等，添加量一般在40～60％左右，添加量过低，无法满足导热系数的要求，添加量过高，则尼龙制品的韧性过低，无法满足物理性能的需求。因此，在导热尼龙中需要添加一些増韧助剂，玻璃纤维则作为増韧助剂的典型代表。
玻璃纤维(GF)是一种一维结构的无机填料，主要成分为氧化铝、氧化钙、氧化硅等氧化物，以氧化硅等无机物或废旧玻璃球为原料，在超过1000℃的高温状态下经熔融、拉丝、上油、集束、烘干等工艺制备而成。玻璃纤维除具有优良的力学性能外，还具有耐高温、电绝缘、耐腐蚀、吸湿低、抗氧化、伸长小等一系列优于其他人造高分子纤维的性能，当其加入到聚合物基体时，其作为骨架能够有效的承担应力和载荷，从而可以显著提高聚合物基体的力学性能和耐热性能。但是，玻璃纤维的导热系数过低，只有0.035W/(m·K)，如果玻纤的掺入量过高，会严重影响材料的导热性，玻纤掺入量过低，则又无法满足合适的物理性能。因此，对玻璃纤维本身进行改性，使其具有一定的导热性，同时满足玻璃纤维复合的导热材料所需要的物理性能和导热性的要求。
在自然界中，海洋贻贝粘合蛋白含有大量的一种特殊的氨基酸被称为3,4-二羟基苯丙氨酸，即多巴胺(DOPA)，由于能够使贻贝粘附各种表面的神奇能力而引起了极大的关注。多巴胺在有氧碱性水相环境下能够在材料表面自发氧化聚合形成聚多巴胺涂层。多巴胺发生氧化自聚合的方式，首先是多巴胺中所含的儿茶酚氧化为苯醌，然后继续与胺及其他儿茶酚醌类反应生成聚多巴胺涂层。聚多巴胺涂层的儿茶酚和醌为功能基团，对多种材料都具有共价连接的能力，且反应条件简单，不需要提前对载体进行任何表面预处理。针对多巴胺对材料表面的改性研究，现如今已有大量资料记载，如通过沉积多巴胺在聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等材料的微孔膜表面，疏水聚合物膜的表面亲水性能够得到明显的改善，并且通过选择合适的反应条件，使膜水通量得到提高。再比如改性PE、PTEF等材料通过采用聚多巴胺的氧化自聚合反应，改性后材料表面和成骨细胞之间的相容性明显变好。
氮化铝因其具有高导热率对于单晶，其理论值为320W/(m·K)，其实际值仍可达100～280W/(m·K)，相当于氧化铝的5～10倍、还具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、低介电损耗，热膨胀系数与硅匹配等优良特性，已成为目前最有希望的新一代高导热陶瓷电子基板和封装材料。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提出一种新型导热尼龙复合材料及其制备方法，利用多巴胺对玻璃纤维表面进改性，从而附着氮化铝微粒，以此提高玻璃纤维的导热性，并将改性的玻璃纤维加入到导热尼龙中，在增强导热尼龙制品机械性能的同时，并保证导热性的要求。
本发明所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于按照重量份数计，有以下原料制备而成：尼龙-6 30～70份、导热填料30～70份、改性玻璃纤维10～30份、阻燃剂5～10份、偶联剂0.1～0.2份、抗氧剂0.1～0.2份；所述的改性玻璃纤维为玻璃纤维经过多巴胺表面改性后复合氮化铝。
其中，优选方案如下：
所述的改性玻璃纤维按照以下步骤制备得到：
(1)将玻璃纤维在500～600℃条件下烧灼1～2h，然后用去离子水洗涤2～3次，干燥备用；
(2)将多巴胺加入到去离子水中配制成2g/L的多巴胺水溶液，用Tris-HCl对其PH调节至8.5即可；
(3)玻璃纤维加入到多巴胺水溶液中进行磁力搅拌24～36h，然后将玻璃纤维过滤并用去离子水清洗，清洗后在60～80℃条件下干燥即可；
(4)将氮化铝粉末加入到乙醇溶剂中并加入氮化铝粉末质量8～10％的硬脂酸，搅拌均匀后静置2～3h，再加入氮化铝粉末质量2～3％的吐温80，在60～70℃条件下搅拌3～5h，最后过滤出的氮化铝粉末用乙醇溶剂洗涤2～3次，烘干后即得改性氮化铝粉末，将改性氮化铝粉末分散到蒸馏水中，超声波振荡5～10min，形成稳定的改性氮化铝悬浊液；
(5)然后用喷枪喷涂改性氮化铝悬浊液至玻璃纤维表面，即得到改性玻璃纤维。
所述的玻璃纤维为无碱玻璃纤维，直径12μm～23μm。
所述的改性氮化铝粉末的重量为玻璃纤维重量的8～10％。
所述的导热填料为氢氧化镁、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钛白粉中的一种或任意几种的组合。
所述的阻燃剂为纳米三聚氰胺氰尿酸盐、二乙基次膦酸铝、溴化聚苯乙烯、三氧化二锑中的一种或任意几种的组合。
所述的偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550、KH-560或KH-570中的一种。
所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1790、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂DLTDP中的一种或几种的混合物。
本发明所述的新型导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：将除改性玻璃纤维以外的其它原料放入混料机中混合10～20min，使其充分混合，然后将混合物加入到双螺杆挤出造粒机组进行熔融，加工温度为170～270℃，螺杆转速350～380r/min，在侧入口喂入改性玻璃纤维，经双螺杆挤出造粒机挤出、切粒制成均匀颗粒。
本发明的优点在于：(1)通过多巴胺对玻璃纤维表面进行改性，提高玻璃纤维与其它界面间的结合力，从而借助多巴胺的结合力在玻璃纤维表面复合氮化铝，以提高玻璃纤维的导热性；(2)由于氮化铝粉末极易水解，会与水中的羟基形成氢氧化铝，在氮化铝粉末表面形成氧化铝层，氮化铝晶格溶入大量的氧，降低其导热率，因此对氮化铝粉末进行防水解改性，避免氮化铝粉末在加入过程中水解形成氧化铝层，影响其导热性能；(3)改性玻璃纤维表面由于复合了氮化铝，表面呈粗糙结构，同时借助多巴胺，可以显著增强与尼龙-6之间的界面结合力；(4)改性玻璃纤维导热系数能够超过1.0W/(m·K)，一定程度上提升了导热尼龙的导热系数，同时改性玻璃纤维作为主要的増韧助剂，有效提升了导热尼龙的韧性，提高尺寸稳定性，降低收缩率，减少翘曲变形，满足机械性能的需要；(5)整体工艺路线简单，对反应条件和设备要求度低，适于工业化生产；(6)本发明制备得到的导热尼龙产品能够替代金属原材料生产零配件或外壳，相关成本大幅下降，全面提高了竞争力，应用前景广泛。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
制备改性玻璃纤维
(1)选用直径12μm～23μm之间的无碱玻璃纤维，将玻璃纤维在600℃条件下烧灼1h，然后用去离子水洗涤3次，干燥备用。
(2)将多巴胺加入到去离子水中配制成2g/L的多巴胺水溶液，用Tris-HCl对其PH调节至8.5即可。
(3)将预处理后的玻璃纤维加入到多巴胺水溶液中进行磁力搅拌24h，然后将玻璃纤维过滤并用去离子水清洗，清洗后在60℃条件下干燥即可得到多巴胺改性玻璃纤维。
(4)将平均颗粒尺寸为1.50μm的氮化铝粉末加入到乙醇溶剂中并加入氮化铝粉末质量10％的硬脂酸，搅拌均匀后静置2h，再加入氮化铝粉末质量3％的吐温80，在60℃条件下搅拌4h，最后过滤出的氮化铝粉末用乙醇溶剂洗涤3次，烘干后即得改性氮化铝粉末。将占玻璃纤维重量10％的改性氮化铝粉末分散到蒸馏水中，超声波振荡10min，形成稳定的改性氮化铝悬浊液。
(5)然后用喷枪喷涂改性氮化铝悬浊液至多巴胺改性的玻璃纤维表面，喷涂过程中要注意喷涂均匀，可以借助其它辅助工具或设备对玻璃纤维进行搅拌。采用DRE-2C导热系数测试仪对其进行导热系数测试，结果为1.221W/(m·K)。
实施例2：
将实施例1制备的改性玻璃纤维应用到导热尼龙制备中，配方中：尼龙-6 50份、氮化硼70份、改性玻璃纤维20份、三氧化二锑10份、KH-570 0.2份、抗氧剂1010 0.15份。
制备时，将除改性玻璃纤维以外的其它原料放入混料机中混合20min，使其充分混合，然后将混合物加入到双螺杆挤出造粒机组进行熔融，加工温度为250℃，螺杆转速350r/min，在侧入口喂入改性玻璃纤维，经双螺杆挤出造粒机挤出、切粒制成均匀颗粒。
采用DRE-2C导热系数测试仪对其进行导热系数测试，结果为5.216W/(m·K)。
实施例3：
将实施例1制备的改性玻璃纤维应用到导热尼龙制备中，配方中：尼龙-6 70份、氮化硼70份、改性玻璃纤维30份、纳米三聚氰胺氰尿酸10份、KH-570 0.2份、抗氧剂1010 0.2份。
制备时，将除改性玻璃纤维以外的其它原料放入混料机中混合20min，使其充分混合，然后将混合物加入到双螺杆挤出造粒机组进行熔融，加工温度为220℃，螺杆转速350r/min，在侧入口喂入改性玻璃纤维，经双螺杆挤出造粒机挤出、切粒制成均匀颗粒。
采用DRE-2C导热系数测试仪对其进行导热系数测试，结果为4.108W/(m·K)。
实施例4：
将实施例1制备的改性玻璃纤维应用到导热尼龙制备中，配方中：尼龙-6 50份、氮化硼60份、改性玻璃纤维20份、纳米三聚氰胺氰尿酸盐10份、KH-5700.2份、抗氧剂1010 0.2份。
制备时，将除改性玻璃纤维以外的其它原料放入混料机中混合20min，使其充分混合，然后将混合物加入到双螺杆挤出造粒机组进行熔融，加工温度为230℃，螺杆转速350r/min，在侧入口喂入改性玻璃纤维，经双螺杆挤出造粒机挤出、切粒制成均匀颗粒。
采用DRE-2C导热系数测试仪对其进行导热系数测试，结果为5.013W/(m·K)。

Claims (9)

1.一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于按照重量份数计，有以下原料制备而成：尼龙-6 30～70份、导热填料30～70份、改性玻璃纤维10～30份、阻燃剂5～10份、偶联剂0.1～0.2份、抗氧剂0.1～0.2份；所述的改性玻璃纤维为玻璃纤维经过多巴胺表面改性后复合氮化铝。
2.根据权利要求1所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的改性玻璃纤维按照以下步骤制备得到：
(1)将玻璃纤维在500～600℃条件下烧灼1～2h，然后用去离子水洗涤2～3次，干燥备用；
(2)将多巴胺加入到去离子水中配制成2g/L的多巴胺水溶液，用Tris-HCl对其PH调节至8.5即可；
(3)玻璃纤维加入到多巴胺水溶液中进行磁力搅拌24～36h，然后将玻璃纤维过滤并用去离子水清洗，清洗后在60～80℃条件下干燥即可；
(4)将氮化铝粉末加入到乙醇溶剂中并加入氮化铝粉末质量8～10％的硬脂酸，搅拌均匀后静置2～3h，再加入氮化铝粉末质量2～3％的吐温80，在60～70℃条件下搅拌3～5h，最后过滤出的氮化铝粉末用乙醇溶剂洗涤2～3次，烘干后即得改性氮化铝粉末，将改性氮化铝粉末分散到蒸馏水中，超声波振荡5～10min，形成稳定的改性氮化铝悬浊液；
(5)然后用喷枪喷涂改性氮化铝悬浊液至玻璃纤维表面，即得到改性玻璃纤维。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的玻璃纤维为无碱玻璃纤维，直径12μm～23μm。
4.根据权利要求2所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的改性氮化铝粉末的重量为玻璃纤维重量的8～10％。
5.根据权利要求1所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的导热填料为氢氧化镁、氧化镁、氧化锌、氮化硼、钛白粉中的一种或任意几种的组合。
6.根据权利要求1所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的阻燃剂为纳米三聚氰胺氰尿酸盐、二乙基次膦酸铝、溴化聚苯乙烯、三氧化二锑中的一种或任意几种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550、KH-560或KH-570中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种新型导热尼龙复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1790、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂DLTDP中的一种或几种的混合物。
9.一种权利要求1所述的新型导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：将除改性玻璃纤维以外的其它原料放入混料机中混合10～20min，使其充分混合，然后将混合物加入到双螺杆挤出造粒机组进行熔融，加工温度为170～270℃，螺杆转速350～380r/min，在侧入口喂入改性玻璃纤维，经双螺杆挤出造粒机挤出、切粒制成均匀颗粒。
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