CN108384231B - 一种pa6复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种PA6复合材料及其制备方法，按照质量分数计所述复合材料的组成包括：PA6树脂33～37％、无碱玻璃纤维8～13％、氧化镁0～50％、氢氧化镁0～50％以及助剂0～5％，其中，所述氧化镁和所述氢氧化镁的质量和不超过复合材料总质量的60％。所述复合材料具有优异的导热性能，同时具有优异的机械性能，可以达到无卤阻燃。所述制备方法工艺简单，适用于工业化生产。

Description

一种PA6复合材料及其制备方法
技术领域
本发属于复合材料领域，涉及一种PA6复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，由于塑料改性技术的进步，一些塑料原材料厂研发了高导热系数的导热塑料，其导热系数可以达到1w/mk～30w/mk不等。从而为塑料制LED灯杯开辟了道路，LED与传统光源一样，在工作期间也会产生热量，其发光效率受外界和自身的影响很大，实际上，芯片上产生的热量不能及时移除已经制约了工程领域许多新产品的设计。相比于传统铝材料，高分子导热复合材料具有高绝缘性、耐腐蚀、质量轻、可加工设计度高、易成型、损耗少等优点，有广泛应用于散热材料领域的倾向。与铝制品相比，导热塑料具有重量轻，设计自由度高，量产性好，绝缘等优势，在大量生产的情况下，成本可比铝制品低。
聚己内酰胺材料[尼龙(PA)6]是被广泛应用的工程塑料之一，和传统的铝材相比，PA6易于加工，成本低廉，综合性能优异但其耐久性差，加工易吸水，且导热系数低，只有0.2～0.3W/(m·K)，对PA6进行导热改性后，导热系数可提升至0.5～5.0W/(m·K)，可满足新兴LED灯具在散热方面的要求，为LED灯具在市场上的推广做出了贡献。针对目前市场上的导热PA6，导热填料一般采用具有的氧化铝(Al2O3)、氮化硼、氮化铝(AlN)，氧化镁(MgO)、碳化硅晶须等，导热填料填充量大、导热系数低、加工成型困难且力学性能较差、工业成本高，挤出生产产能低下等问题，其需要非常高的填充料才能满足阻燃V0要求，或者额外添加溴锑或磷氮类阻燃剂材料满足V0，但是溴锑类阻燃剂会影响材料电性能，虽然磷氮类阻燃剂不影响电性能，但在在高温高湿条件下会析出，影响LED的发光效率与外观。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种PA6复合材料及其制备方法，所述复合材料具有优异的导热性能，同时具有优异的机械性能，可以达到无卤阻燃。所述制备方法工艺简单，适用于工业化生产。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种PA6复合材料，按照质量分数计所述复合材料的组成包括：
Figure BDA0001617221420000021
其中，所述氧化镁和所述氢氧化镁的质量和不超过复合材料总质量的60％。
其中，PA6树脂的质量分数可以是33％、33.5％、34％、34.5％、35％、35.5％、36％、36.5％或37％等，无碱玻璃纤维的质量分数可以是8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％或13％等，氧化镁的质量分数可以是0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％等，氢氧化镁的质量分数可以是0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％等，助剂的质量分数可以是0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，按照质量分数计所述复合材料的组成包括：
Figure BDA0001617221420000031
作为本发明优选的技术方案，所述无碱玻璃纤维的长度为3～7mm，如3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm或7mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述无碱玻璃纤维的单丝直径为11～15μm，如11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm、14μm、14.5μm或15μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，需严格控制无碱玻璃纤维的长度和单丝直径，当无碱玻璃纤维的单丝直径过大时会影响导热材料性能与外观，引起浮纤等外观不良，流动性下降；当单丝直径过小时，导致复合材料的导热性能下降；如果无碱玻璃纤维的长度过长，会导致团聚，引起应力集中，造成机械性能下降，同样会影响复合材料的导热性能。同时，无碱玻璃纤维的单丝直径过小以及长度过长都会对复合材料的机械性能产生不良影响。
作为本发明优选的技术方案，所述氧化镁的粒径为2500～5000目，如2500目、3000目、3500目、4000目、4500目或5000目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述氢氧化镁的粒径为2500～5000目，如2500目、3000目、3500目、4000目、4500目或5000目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述无碱玻璃纤维、氧化镁与所述氢氧化镁的质量比为1:1:(1.5～4)，如1:1:1.5、1:1:2、1:1:2.5、1:1:3、1:1:3.5或1:1:4等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过大量的试验发现，当无碱玻璃纤维、氧化镁与所述氢氧化镁的质量比达到上述比值时可以获得最佳的阻燃性能，其可能是因为在此比例下三种物质在复合材料中的分散最为均匀，能够充分发挥材料的阻燃性能。
作为本发明优选的技术方案，所述助剂包括增韧剂、偶联剂、抗氧剂或润滑剂中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明优选的技术方案，所述增韧剂包括POE-g-MAH。
优选地，所述增韧剂的质量分数为0～3％，如0％、0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述相容剂包括硅酮。
优选地，所述相容剂的质量分数为0～0.5％，如0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂。
优选地，所述主抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺。
优选地，所述辅助抗氧剂为双(2.4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯。
优选地，所述主抗氧剂的质量分数为0～0.5％，如0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述辅助抗氧剂的质量分数为0～0.5％，如0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述润滑剂为C28～C32的直链线型饱和羧酸钠盐，如C28、C29、C30、C31或C32的直链线型饱和羧酸钠盐。
优选地，所述润滑剂的质量分数为0～0.5％，如0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明目的之二在于提供一种上述PA6复合材料的制备方法，所述方法为：
将抗氧剂和润滑剂的混合物，PA6树脂、氧化镁和氢氧化镁的混合物以及相容剂和增韧剂的混合物加入到挤出机中，在挤出机第5区加入氧化镁和氢氧化镁，在挤出机第8区加入无碱玻璃纤维，挤出机的出料即为所述PA6复合材料。
作为本发明优选的技术方案，所述PA6树脂、氧化镁和氢氧化镁的混合物中的氧化镁和氢氧化镁的质量和与第5区加入的氧化镁和氢氧化镁的质量和的比值为2:3。
作为本发明优选的技术方案，所述挤出机包括第1～10区以及机头。
优选地，所述第1区温度为230～240℃，如230℃、231℃、232℃、233℃、234℃、235℃、236℃、237℃、238℃、239℃或240℃等。
优选地，所述第2区温度为250～260℃，如250℃、251℃、252℃、253℃、254℃、255℃、256℃、257℃、258℃、259℃或260℃等。
优选地，所述第3区温度为250～260℃，如250℃、251℃、252℃、253℃、254℃、255℃、256℃、257℃、258℃、259℃或260℃等。
优选地，所述第4区温度为250～260℃，如250℃、251℃、252℃、253℃、254℃、255℃、256℃、257℃、258℃、259℃或260℃等。
优选地，所述第5区温度为250～260℃，如250℃、251℃、252℃、253℃、254℃、255℃、256℃、257℃、258℃、259℃或260℃等。
优选地，所述第6区温度为250～260℃，如250℃、251℃、252℃、253℃、254℃、255℃、256℃、257℃、258℃、259℃或260℃等。
优选地，所述第7区温度为220～230℃，如220℃、221℃、222℃、223℃、224℃、225℃、226℃、227℃、228℃、229℃或230℃等。
优选地，所述第8区温度为220～230℃，如220℃、221℃、222℃、223℃、224℃、225℃、226℃、227℃、228℃、229℃或230℃等。
优选地，所述第9区温度为230～240℃，如230℃、231℃、232℃、233℃、234℃、235℃、236℃、237℃、238℃、239℃或240℃等。
优选地，所述第10区温度为240～250℃，如240℃、241℃、242℃、243℃、244℃、245℃、246℃、247℃、248℃、249℃或250℃等。
优选地，所述机头温度为240～250℃，如240℃、241℃、242℃、243℃、244℃、245℃、246℃、247℃、248℃、249℃或250℃等。
上述挤出机各区的温度并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，将总质量0～0.5％的N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、0～0.5％的双(2.4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和0～0.5％的C28～C32的直链线型饱和羧酸钠盐的混合物，33～37％的PA6树脂、0～20％氧化镁和0～20％氢氧化镁的混合物以及0～0.5％硅酮和0～3％POE-g-MAH的混合物加入到挤出机中，在挤出机第5区加入0～30％的氧化镁和0～30％的氢氧化镁，在挤出机第8区加入8～13％的无碱玻璃纤维，挤出机的出料即为所述PA6复合材料。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种PA6复合材料，所述复合材料具有优异的导热性能，导热系数可达1.2W/(m·K)以上；
(2)本发明提供一种PA6复合材料，所述复合材料具有优异的机械性能，拉伸强度可达106.6MPa，弯曲强度在100MPa以上，可以达到无卤阻燃；
(3)本发明提供一种PA6复合材料的制备方法，所述制备方法工艺简单，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明提供的PA6复合材料的制备工艺流程图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
本发明具体实施例部分提供的PA6复合材料采用以下制备方法，所述方法为：
将总质量0～0.5％的N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、0～0.5％的双(2.4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和0～0.5％的C28～C32的直链线型饱和羧酸钠盐的混合物，33～37％的PA6树脂、0～20％氧化镁和0～20％氢氧化镁的混合物以及0～0.5％硅酮和0～3％POE-g-MAH的混合物加入到挤出机中，在挤出机第5区加入0～30％的氧化镁和0～30％的氢氧化镁，在挤出机第8区加入8～13％的无碱玻璃纤维，挤出机的出料即为所述PA6复合材料。挤出机各区的温度如表1所示，单位℃。
表1
1区 2区 3区 4区 5区 6区 七区 八区 9区 10区 机头
230 250 250 250 250 250 220 220 230 240 250
实施例1-8
实施例1-8提供了不同原料配比的PA6复合材料，各实施例中组份的质量分数如表2所示。
表2
Figure BDA0001617221420000081
对比例1-5
对比例1-5提供的PA6复合材料的各组分的质量分数如表3所示。
表3
Figure BDA0001617221420000082
Figure BDA0001617221420000091
对比例6
本对比例中除了添加的无碱玻璃纤维为长纤维外，其他条件均与实施例7相同。
对比例7
本对比例中除了添加的无碱玻璃纤维的直径为5μm外，其他条件均与实施例7相同。
对比例8
本对比例中除了添加的无碱玻璃纤维的直径为30μm外，其他条件均与实施例7相同。
对实施例1-8以及对比例1-8提供的PA6复合材料的导热性能、机械性能以及阻燃性能进行测试，结果如表4所示。其中，比重按GB/T1033标准进行测试；拉伸强度按GB/T1040.2-2006测试，拉伸速率为10mm/min；断裂伸长率按GB/T1040.2-2006测试，拉伸速率为10mm/min；弯曲强度按GB/T 9341-2008测试，测试速率为5mm/min；弯曲模量按GB/T 9341-2008测试，测试速率为5mm/min；悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1843-2008测试，冲击锤能量为2.75J；阻燃性能按UL94-V0测试，样条厚度1.6mm；导热系数按GB/T 10297-1998测试，试样厚度为2.5mm；双85测试85％湿度，85℃烘箱中放置7天，评估外观是否析出。
表4
Figure BDA0001617221420000092
Figure BDA0001617221420000101
从表4中可以看出，本发明实施例1-8提供的PA6复合材料具有优异的导热性能，其导热系数可达1.2W/(m·K)以上，拉伸强度可达106.6MPa，弯曲强度在100MPa以上，具有优异的机械性能；当无碱玻璃纤维、氧化镁与所述氢氧化镁的质量比为1:1:(1.5～4)，其阻燃性能最高可达V-0级别。
对比例1-3均添加了无碱玻璃纤维、氧化镁与所述氢氧化镁中的一种物质，导致复合材料的导热性能、机械性能以及阻燃性能不能同时达到使用要求。对比例4未添加无碱玻璃纤维，而添加了磷氮类阻燃剂，最燃阻燃性能和导热性能均达到使用要求，但是在高温高湿下会有物质析出复合材料。对比例5未添加氧化镁和氢氧化镁，仅添加了无碱玻璃纤维和磷氮类阻燃剂，材料的导热性能明显下降，高温高湿下页会有物质析出复合材料。对比例6-8采用了超出本发明规格的无碱玻璃纤维，导致复合材料的导热性能、机械性能以及阻燃性能与实施例7相比出现了全面下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、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。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (31)

1.一种PA6复合材料，其特征在于，按照质量分数计所述复合材料的组成包括：
Figure FDA0002535171780000011
其中，所述氧化镁和所述氢氧化镁的质量和不超过复合材料总质量的60％；所述无碱玻璃纤维的长度为3～7mm；所述无碱玻璃纤维的单丝直径为11～15μm；所述无碱玻璃纤维、氧化镁与所述氢氧化镁的质量比为1:1:(1.5～4)。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，按照质量分数计所述复合材料的组成包括：
Figure FDA0002535171780000012
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述氧化镁的粒径为2500～5000目。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述氢氧化镁的粒径为2500～5000目。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述助剂包括增韧剂、相容剂、抗氧剂或润滑剂中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述增韧剂包括POE-g-MAH。
7.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述增韧剂的质量分数为0～3％。
8.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述相容剂包括硅酮。
9.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述相容剂的质量分数为0～0.5％。
10.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂。
11.根据权利要求10所述的复合材料，其特征在于，所述主抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺。
12.根据权利要求10所述的复合材料，其特征在于，所述辅助抗氧剂为双(2.4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯。
13.根据权利要求10所述的复合材料，其特征在于，所述主抗氧剂的质量分数为0～0.5％。
14.根据权利要求10所述的复合材料，其特征在于，所述辅助抗氧剂的质量分数为0～0.5％。
15.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述润滑剂为C28～C32的直链线型饱和羧酸钠盐。
16.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述润滑剂的质量分数为0～0.5％。
17.一种权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法为：
将抗氧剂和润滑剂的混合物，PA6树脂、氧化镁和氢氧化镁的混合物以及相容剂和增韧剂的混合物加入到挤出机中，在挤出机第5区加入氧化镁和氢氧化镁，在挤出机第8区加入无碱玻璃纤维，挤出机的出料即为所述PA6复合材料。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述PA6树脂、氧化镁和氢氧化镁的混合物中的氧化镁和氢氧化镁的质量和与第5区加入的氧化镁和氢氧化镁的质量和的比值为2:3。
19.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机包括第1～10区以及机头。
20.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第1区温度为230～240℃。
21.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第2区温度为250～260℃。
22.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第3区温度为250～260℃。
23.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第4区温度为250～260℃。
24.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第5区温度为250～260℃。
25.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第6区温度为250～260℃。
26.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第7区温度为220～230℃。
27.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第8区温度为220～230℃。
28.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第9区温度为230～240℃。
29.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述第10区温度为240～250℃。
30.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述机头温度为240～250℃。
31.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述方法为：
将总质量0～0.5％的N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、0～0.5％的双(2.4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和0～0.5％的C28～C32的直链线型饱和羧酸钠盐的混合物，33～37％的PA6树脂、0～20％氧化镁和0～20％氢氧化镁的混合物以及0～0.5％硅酮和0～3％POE-g-MAH的混合物加入到挤出机中，在挤出机第5区加入0～30％的氧化镁和0～30％的氢氧化镁，在挤出机第8区加入8～13％的无碱玻璃纤维，挤出机的出料即为所述PA6复合材料。
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