CN107828023A - 适用于led灯散热器的复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子材料和LED灯组件技术领域，具体涉及一种适用于LED灯散热器的复合材料，以聚碳酸酯100重量份为基准，包括：聚碳酸酯100重量份、α‑甲基苯乙烯5～20重量份、导热无机填料3～12重量份、金属粉2～6重量份、碳纤维1～6重量份、硅烷偶联剂0.1～2重量份；所述导热无机填料、金属粉、碳纤维的重量比为1：(0.2～0.5)：(0.3～0.5)；所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，碳纤维与超细石墨烯的重量比为1：(0.05～0.2)；通过α‑甲基苯乙烯与聚碳酸酯的耐热改性，同时在该树脂材料中掺杂有导热性能改善的碳纤维、导热无机填料和金属粉，通过该三者的混合效果，实现该复合材料优异的导热性能。

Description

适用于LED灯散热器的复合材料
技术领域
本发明涉及高分子材料和LED灯组件技术领域，具体涉及一种适用于LED灯散热器的复合材料。
背景技术
LED光源具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保等优点，被称为21世纪绿色照明的骄子。由于LED灯的光衰和寿命与其温度直接相关，因此，LED灯的散热越来越为人们所重视。
散热器作为LED灯的一个重要组成部分，实现LED灯在工作过程中产生的热量及时的向外散发，目前最常见的LED灯散热器是铝合金材料挤压或压铸成型，但因其比重大、加工成本高且效率低等缺点，限制了其在大功率LED灯散热器的应用。而导热热塑性树脂基复合材料相比铝合金材料，其具有重量轻、成本低、易加工、可成型复杂形状、可循环利用等特点，成为目前LED导热材料研究和应用的一个重要方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于LED灯散热器的复合材料，该复合材料可注塑一步成型各种复杂结构形状的LED灯散热器，提高LED灯的散热性能。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种适用于LED灯散热器的复合材料，以聚碳酸酯100重量份为基准，所述的复合材料中包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯100重量份、α-甲基苯乙烯5～20重量份、导热无机填料3～12重量份、碳纤维1～6重量份、金属粉2～6重量份、硅烷偶联剂0.1～2重量份；
其中，所述导热无机填料、金属粉、碳纤维的重量比为1：(0.2～0.5)：(0.3～0.5)；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，碳纤维与超细石墨烯的重量比为1：(0.05～0.2)。
本发明中，通过在聚碳酸酯中加入α-甲基苯乙烯进行改性处理，提高聚碳酸酯的耐热性能，所述的聚碳酸酯中掺杂有交织的碳纤维，并在其中分散有导热无机填料和金属粉，实现良好的导热效果。为了实现导热无机填料和金属粉的良好分散，避免团聚现象的发生，采用硅烷偶联剂对导热无机填料及金属粉进行预处理改性。
在碳纤维中分散有超细石墨烯，能显著的提高碳纤维的导热性能，使得碳纤维交织在聚碳酸酯中，不仅能提高聚碳酸酯的抗冲击强度，同时提高其导热性能，在注塑形成LED灯散热器后实现更好的散热效果。所述的超细石墨烯的颗粒度越小，其相应的比表面积就越大，小颗粒度的石墨烯更利于发挥石墨烯优秀的机械性能和其他物理性能，并且在使用时还能减少超细石墨烯的用量。
根据本发明，所述的硅烷偶联剂的目的在于对导热无机填料和金属粉表面进行包覆，提高其分散能力，本发明对硅烷偶联剂不做特殊的要求，可以为所属领域技术人员所熟知的，例如，所述的硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、2-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷、脲基丙基三乙氧基硅烷及脲基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
进一步的，根据本发明所述的超细石墨烯的尺寸为：长和宽分别为1～10μm，厚度为12～15nm。
根据本发明，导热无机填料填充在聚碳酸酯中，提高其导热性能，本发明中所述的导热无机填料选自氧化铝、氧化铍、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、硼化铝、碳化硅。
进一步的，导热无机填料粒径对聚碳酸酯注塑成型具有一定程度的影响，若粒径过大，则无法实现较大含量的添加，并且较难成型及成型后容易出现粒子脱落，若粒子过小，则不易实现较好的导热效果，本发明中，所述导热无机填料的平均粒径为3～15μm。
进一步的，根据本发明，所述的金属粉为配合导热无机填料，实现更好的导热效果，所述的金属粉选自铜粉、铝粉、银粉或铜、铝、银的合金粉末。通过金属粉与导热无机填料的混合并填充在聚碳酸酯中，显著提高其导热性能。
进一步的，本发明所述的金属粉末的粒径为2～15μm。
本发明还提供了一种上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法：
(1)将硅烷偶联剂分别与导热无机填料和金属粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的导热无机填料和金属粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
所述的双螺杆挤出机的一区温度为255～260℃，二区温度为255～260℃，三区温度为260～270℃，四区温度为270～275℃，五区温度为265～270℃，六区温度为270～280℃，模头温度为275～280℃，压力为2～2.5MPa。
本发明通过内添加的方式改进LED灯散热器的导热效果，使得LED灯在工作时产生的热量能及时的散发出来，避免因热量的累积导致LED灯出现光衰过快及寿命减短的问题。相比于现有技术中采用金属压铸成复杂散热形状获得导热性能的方案，本发明提供的复合材料显著的降低了生产成本，同时，降低了加工难度，通过本发明提供的制备方法，只需进行简单的混合，然后造粒获得该复合材料，然后将复合材料投入到注塑设备中注塑成型，导热性能主要依靠的是该复合材料而不是注塑成的复杂散热外形，因此是从材料改进的角度对LED灯散热器的散热性能进行改进。
本发明提供的适用于LED灯散热器的复合材料，通过α-甲基苯乙烯与聚碳酸酯的耐热改性，同时在该树脂材料中掺杂有导热性能改善的碳纤维、导热无机填料和金属粉，通过该三者的混合效果，实现该复合材料优异的导热性能，适用于LED灯散热器的注塑成型后，能极大的提高该散热器的导热性能，避免LED灯的温升过高带来光衰和寿命减短的问题。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1
一种适用于LED灯散热器的复合材料，包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 12重量份
氧化铝(粒径为8μm) 8重量份
碳纤维 3.2重量份
铜粉(粒径为8μm) 3.2重量份
氨丙基三乙氧基硅烷 1.2重量份；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，所述超细石墨烯的含量为0.32重量份，其长和宽为5μm，厚度为13nm；
上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法包括：
(1)将氨丙基三乙氧基硅烷分别与氧化铝和铜粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的氧化铝和铜粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
实施例2
一种适用于LED灯散热器的复合材料，包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 8重量份
氧化锌(粒径为5μm) 6重量份
碳纤维 2.4重量份
铝粉(粒径为5μm) 2.4重量份
氨丙基三甲氧基硅烷 1.2重量份；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，所述超细石墨烯的含量为0.24重量份，其长和宽为3μm，厚度为12nm；
上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法包括：
(1)将氨丙基三甲氧基硅烷分别与氧化锌和铝粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的氧化锌和铝粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
实施例3
一种适用于LED灯散热器的复合材料，包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 18重量份
氧化镁(粒径为12μm) 10重量份
碳纤维 4重量份
银粉(粒径为12μm) 4重量份
2-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷 1.8重量份；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，所述超细石墨烯的含量为0.6重量份，其长和宽为8μm，厚度为14nm；
上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法包括：
(1)将2-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷分别与氧化镁和银粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的氧化镁和银粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
实施例4
一种适用于LED灯散热器的复合材料，包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 5重量份
氮化铝(粒径为3μm) 4重量份
碳纤维 1.2重量份
铝粉(粒径为2μm) 2重量份
二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅烷 0.8重量份；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，所述超细石墨烯的含量为0.06重量份，其长和宽为1μm，厚度为12nm；
上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法包括：
(1)将二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅烷分别与氮化铝和铝粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的氮化铝和铝粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
实施例5
一种适用于LED灯散热器的复合材料，包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 20重量份
氮化硼(粒径为15μm) 12重量份
碳纤维 6重量份
铜粉(粒径为15μm) 6重量份
氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷 2重量份；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，所述超细石墨烯的含量为1.2重量份，其长和宽为10μm，厚度为15nm；
上述适用于LED灯散热器的复合材料的制备方法包括：
(1)将氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷分别与氮化硼和铜粉混合，进行预处理改性；
(2)按配方量称取聚碳酸酯、碳纤维，并与步骤(1)得到的改性的氮化硼和铜粉充分混合后投入到双螺杆挤出机的加料口，所述的α-甲基苯乙烯经侧喂料口进料，经熔融混合后挤出，经拉条、水冷、切粒得到用于LED灯散热器的复合材料；
(3)使用注塑设备将步骤(2)中的复合材料注塑成型得到LED灯散热器成品。
对比例1
本实施例与对比例1中的复合材料的制备方法相同，不同的是，本实施例中的组成包括：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 12重量份
氧化铝(粒径为8μm) 2重量份
碳纤维 0.5重量份
铜粉(粒径为8μm) 1.5重量份
氨丙基三乙氧基硅烷 0.5重量份。
对比例2
本实施例与对比例1中的复合材料的制备方法相同，不同的是，本实施例中的组成包括：
聚碳酸酯 100重量份
α-甲基苯乙烯 12重量份
氧化铝(粒径为8μm) 20重量份
碳纤维 4重量份
铜粉(粒径为8μm) 4重量份
氨丙基三乙氧基硅烷 1.3重量份。
性能测试：
1、导热系数：
按照标准GB/T 22588-2008对上述实施例中得到的复合材料测试导热系数并将测试结果记录到表1中。
2、拉伸强度：
按照标准GB/T 1039-1992对上述实施例中得到的复合材料测试拉伸强度并将测试结果记录到表1中。
表1：
导热系数/W/(m·K) 拉伸强度/Mpa
实施例1 1.82 26.8
实施例2 1.80 25.4
实施例3 1.79 25.3
实施例4 1.63 25.3
实施例5 1.62 25.1
对比例1 0.85 19.4
对比例2 0.76 17.6
由上述试验数据可以看出，本发明提供的适用于LED灯散热器的复合材料具有优异的导热性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：以聚碳酸酯100重量份为基准，所述的复合材料中包括以下重量份的物质：
聚碳酸酯100重量份、α-甲基苯乙烯5～20重量份、导热无机填料3～12重量份、金属粉2～6重量份、碳纤维1～6重量份、硅烷偶联剂0.1～2重量份；
其中，所述导热无机填料、金属粉、碳纤维的重量比为1：(0.2～0.5)：(0.3～0.5)；
所述的碳纤维中均匀分散有超细石墨烯，碳纤维与超细石墨烯的重量比为1：(0.05～0.2)。
2.根据权利要求1所述的适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：所述的超细石墨烯的尺寸为：长和宽分别为1～10μm，厚度为12～15nm。
3.根据权利要求1所述的适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：所述的导热无机填料选自氧化铝、氧化铍、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅。
4.根据权利要求3所述的适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：所述导热无机填料的粒径为3～15μm。
5.根据权利要求1所述的适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：所述金属粉选自铜粉、铝粉、银粉或铜、铝、银的合金粉末。
6.根据权利要求5所述的适用于LED灯散热器的复合材料，其特征在于：所述金属粉末的粒径为2～15μm。
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