CN108976629A - 高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个方面，提供了一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，主要包含间规聚苯乙烯、导热剂、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂，其中导热剂为碳化硅和/或氮化铝。本发明的高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的重量轻、成本低、耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定、机械性能好，而且在发生燃烧情况时产生的烟雾少，更环保。该复合材料的漏电起痕指数可达200～300V，在潮湿的环境中不容易漏电，可以安全地应用在各种电器、电子部件或化学装备部件，以及LED灯具上。该复合材料的耐磨性好，动摩擦系数可达0.5～1.3。

Description

高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料制造领域，特别涉及一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)是目前普遍采用的照明光源，省电、发光效率高，但是LED工作中产生的热量很高，需要快速散热才能保证LED的正常使用寿命。通常，在灯具上与LED接触、起散热作用的支架都是采用金属材料，特别是金属铝。由于金属铝支架只能单个机械加工，所以成本高，造成整个LED灯具的成本都比较高。由于灯具的加工成本、材料成本高，即使LED灯节能、环保，也限制了其被广泛使用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料及其制备方法，以解决上述现有技术问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供了一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，主要包含间规聚苯乙烯、导热剂、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂，其中导热剂为碳化硅和/或氮化铝。
本发明的高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的重量轻、成本低、耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定、机械性能好，而且在发生燃烧情况时产生的烟雾少，更环保。该复合材料的相对漏电起痕指数可达200～300V，在潮湿的环境中不容易漏电，可以安全地应用在LED灯具上，以及各种电器、电子部件或化学装备部件上。该复合材料的耐磨性好，动摩擦系数可达0.5～1.3。
在一些实施方式中，以重量份数计，间规聚苯乙烯30～60、导热剂10～40、无卤阻燃剂15～30、抗氧剂0.1～1、偶联剂0.1～1、相容剂0.5～5、润滑剂0.2～2。
在一些实施方式中，无卤阻燃剂为三聚氰胺氰尿酸盐、磷酸酯类化合物、氢氧化镁、溴化环氧、三氧化二锑和纳米改性蒙脱土中的两种或两种以上的复配。
在一些实施方式中，抗氧剂为酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂或金属离子稳定剂中的一种或两种以上的组合。
在一些实施方式中，偶联剂为硅氧烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种或两种以上的组合。
在一些实施方式中，相容剂为环氧树脂及其改性物、烯烃共聚物、苯乙烯类共聚物或马来酸酐接枝物中的一种或两种以上的组合。
在一些实施方式中，润滑剂为脂肪酸、季戊四醇硬脂酸酯、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硅酮粉、硅酮母粒或聚乙烯蜡中的一种或两种以上的组合。
本发明的另一个目的是提供一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：将间规聚苯乙烯、碳化硅和/或氮化铝、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂混合均匀，然后通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒。
本发明的另一个目的是提供另一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳化硅和/或氮化铝、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂混合均匀，得到混合物一；(2)将间规聚苯乙烯加入混合物一中混合均匀，得到混合物二；(3)将混合物二通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒。将物料分两步搅拌，其中在步骤(1)可以使液体的偶联剂和其它粉状物质充分混合，并湿润粉体表面；在步骤(2)高速混合可以使粉状物和塑料粒子混合更加均匀，使无机物与有机物的结合更加紧密。
根据本发明的还一个方面，提供了一种高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料在灯具中的应用。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明，但保护范围不受这些实施例的限制。
实施例1：
将30Kg间规聚苯乙烯、5Kg碳化硅、5Kg氮化铝、0.1Kg抗氧剂1010、0.1Kg偶联剂KH-550、0.2Kg润滑剂PETS、0.5Kg相容剂PS-g-MAH、10Kg氢氧化镁和5Kg纳米蒙脱土放入搅拌机中搅拌10分钟，搅拌速度设定为150转/分钟，得到混合物。
将混合物放入双螺杆挤出机中熔融、混炼、挤出、冷却、干燥，得到高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料树脂。双螺杆挤出机的设定温度为270～290℃，螺杆转速设定为300转/分钟，喂料转速设定为120转/分钟。
其中，各组分的配比以重量份数计可以为：间规聚苯乙烯30～60、碳化硅5～20、氮化铝5～20、无卤阻燃剂15～30、抗氧剂0.1～1、偶联剂0.1～1、相容剂0.5～5、润滑剂0.2～2。
经检测，由实施例1做出产品的熔体指数为75g/10min，导热系数为3.8W/mk，冲击强度为4.5KJ/m2，弯曲强度为75MPa，拉伸强度为32Mpa，断裂伸长率为1.8％，动摩擦系数为1.2，相对漏电起痕指数(简称CTI)为200V，阻燃级别为V0。
实施例21：
步骤(1)将30Kg间规聚苯乙烯、5Kg碳化硅、5Kg氮化铝、0.1Kg抗氧剂1010、0.1Kg偶联剂KH-550、0.2Kg润滑剂PETS、0.5Kg相容剂PS-g-MAH、10Kg氢氧化镁和5Kg纳米蒙脱土放入搅拌机中搅拌10分钟，搅拌速度设定为150转/分钟，得到混合物一。
步骤(2)向混合物一中加入30Kg间规聚苯乙烯，再搅拌20分，搅拌速度设定为500转/分钟，得到混合物二。
步骤(3)将混合物二放入双螺杆挤出机中熔融、混炼、挤出、冷却、干燥。双螺杆挤出机的设定温度为270～290℃，螺杆转速设定为300转/分钟，喂料转速设定为120转/分钟。低的螺杆转速可以使物料的停留时间更长、塑化更好。
其中，各组分的配比以重量份数计可以为：间规聚苯乙烯30～60、碳化硅5～20、氮化铝5～20、无卤阻燃剂15～30、抗氧剂0.1～1、偶联剂0.1～1、相容剂0.5～5、润滑剂0.2～2。
经检测，由实施例21做出产品的熔体指数为76g/10min，导热系数为4.5W/mk，冲击强度为4.7KJ/m2，弯曲强度为75MPa，拉伸强度为32MPa，断裂伸长率为1.8％，动摩擦系数为1.2，相对漏电起痕指数为200V，阻燃级别为V0。
间规聚苯乙烯为结晶聚合物，结晶度高可以提高其机械性能和耐温性能。
在本实施例中，碳化硅和氮化铝为纯度是99％以上的粉体，粒径5000目以上，如使用纳米级的碳化硅和氮化铝效果更佳。
在其它实施例中，反应温度参数和时间参数等可以在一定范围内调整：
其中步骤(1)中的搅拌时间可以为8～12分钟，搅拌速度可以为120～180转/分钟。这个过程可以使液体的偶联剂和其它粉状物质充分混合，并湿润粉体表面。
步骤(2)中的中的搅拌时间可以为16～24分钟，搅拌速度可以为450～600转/分钟。高速混合可以使粉状物和塑料粒子混合更加均匀。
步骤(3)中的螺杆转速可以设定为280～320转/分钟。
在本实施例中，抗氧剂为1010。在其它实施例中，抗氧剂还可以为酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂或金属离子稳定剂中的一种或两种以上的组合。
在本实施例中，偶联剂为KH-550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)。在其它实施例中，偶联剂还可以为硅氧烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种或两种以上的组合。具体地，可以为下述物质中的一种或两种以上的组合：3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH-602)、异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷(IPTS)、乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)。
在本实施例中，润滑剂为季戊四醇硬脂酸酯(PETS)。在其它实施例中，润滑剂还可以为脂肪酸、季戊四醇硬脂酸酯(PETS)、N，N′-亚乙基双硬脂酰胺(EBS)、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硅酮粉、硅酮母粒或聚乙烯蜡中的一种或两种以上的组合。
在本实施例中，相容剂为马来酸酐接枝聚苯乙烯(PS-g-MAH)。在其它实施例中，相容剂还可以为环氧树脂及其改性物、烯烃共聚物、苯乙烯类共聚物、丙烯酸缩水甘油酯类改性物或马来酸酐接枝物中的一种或两种以上的组合。具体地，可以为下述物质中的一种或两种以上的组合：环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-乙烯乙酯-甲基丙烯酸价值缩水甘油酯共聚物、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯-丙烯腈共聚物、苯乙烯接枝乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、马来酸酐接枝聚苯乙烯(PS-g-MAH)、马来酸酐接枝间规聚苯乙烯(SPS-g-MAH)、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)、马来酸酐接枝聚苯醚(PPO-g-MAH)。
在本实施例中，无卤阻燃剂为氢氧化镁和纳米蒙脱土的复配。在其它实施例中，无卤阻燃剂可以为三聚氰胺氰尿酸盐、磷酸酯类化合物、溴化环氧、三氧化二锑、氢氧化镁和纳米改性蒙脱土中的两种或两种以上的复配。
表1中的实施例1～10采用与实施例1相同的方法制备高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，表中列出间规聚苯乙烯、碳化硅和氮化铝的投料量，以及抗氧剂、偶联剂、润滑剂、相容剂和阻燃剂的种类和投料量，还包括测试结果。
表2中的实施例11～20采用与实施例1相同的方法制备高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，表中列出间规聚苯乙烯、碳化硅和氮化铝的投料量，以及抗氧剂、偶联剂、润滑剂、相容剂和阻燃剂的种类和投料量，还包括测试结果。其中实施例11～15中只添加碳化硅作为导热剂，实施例16～20只添加氮化铝作为导热剂。
表3中的实施例21～30采用与实施例21相同的方法制备高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，表中列出间规聚苯乙烯、碳化硅和氮化铝的投料量，以及抗氧剂、偶联剂、润滑剂、相容剂和阻燃剂的种类和投料量，还包括测试结果。
表4中的实施例31～40采用与实施例21相同的方法制备高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，表中列出间规聚苯乙烯、碳化硅和氮化铝的投料量，以及抗氧剂、偶联剂、润滑剂、相容剂和阻燃剂的种类和投料量，还包括测试结果。其中实施例31～35中只添加碳化硅作为导热剂，实施例36～40只添加氮化铝作为导热剂。
实施例21～40的组分配比分别与实施例1～20一一对应一致。
复合材料性能的检测方法：
按照《塑料-拉伸性能的测定》(ISO527-2012)中的方法测定所得复合材料的拉伸强度。
按照《塑料-拉伸性能测定.第4部分均质和非均质增强纤维塑料复合材料试验条件》(ISO527-4-1997)中的方法测定所得复合材料的断裂伸长率。
按照《塑料-弯曲性能的测定》(ISO178-2010)中的方法测定所得复合材料的弯曲强度。
按照《塑料-摆式冲击性能的测定》(ISO179-2010)中的方法测定所得复合材料的缺口冲击强度。
按照GB/T4207-84《固体绝缘材料在潮湿条件下相比漏电起痕指数和耐漏电起痕指数的测定方法》测定所得复合材料的相对漏电起痕指数(CTI)。
由表1～表4对比可以看出：
(1)碳化硅和氮化铝两种材料同时使用比单独使用其中一种制备高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的效果更好。
(2)所有实施例的阻燃级别都是V0，说明所选定的阻燃剂和添加量是合适的。
(3)将除间规聚苯乙烯之外的其它组分混合均匀后，再加入间规聚苯乙烯混合，所制备的高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料导热效果更好。由于偶联剂是液体的，其作用是充分润湿导热剂，使导热剂表面活化，提高导热剂和间规聚苯乙烯的结合力。当所有物料同时加入搅拌的时候，一部分偶联剂会粘在塑料表面，另一部分会粘在导热剂表面；而将除间规聚苯乙烯之外的其它组分混合均匀后，再加入间规聚苯乙烯混合，全部的偶联剂都会沾在导热剂的表面，活化效果更好。
本发明的高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料可广泛用于电子、电器、汽车、精密机械、航天等领域，特别是在照明行业中的灯具制造中代替金属效果最好。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料，其特征在于，主要包含间规聚苯乙烯、导热剂、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂；
所述导热剂为碳化硅和/或氮化铝。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，以重量份数计，所述间规聚苯乙烯30～60、导热剂10～40、无卤阻燃剂15～30、抗氧剂0.1～1、偶联剂0.1～1、相容剂0.5～5、润滑剂0.2～2。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述无卤阻燃剂为三聚氰胺氰尿酸盐、磷酸酯类化合物、氢氧化镁、溴化环氧、三氧化二锑和纳米改性蒙脱土中的两种或两种以上的复配。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂或金属离子稳定剂中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅氧烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述相容剂为环氧树脂及其改性物、烯烃共聚物、苯乙烯类共聚物或马来酸酐接枝物中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述润滑剂为脂肪酸、季戊四醇硬脂酸酯、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硅酮粉、硅酮母粒或聚乙烯蜡中的一种或两种以上的组合。
8.高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：将间规聚苯乙烯、碳化硅和/或氮化铝、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂混合均匀，然后通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒。
9.高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硅和/或氮化铝、无卤阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、相容剂和润滑剂混合均匀，得到混合物一；
(2)将间规聚苯乙烯加入所述混合物一中混合均匀，得到混合物二；
(3)将所述混合物二通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒。
10.根据权利要求1～7任一项所述的高导热无卤阻燃间规聚苯乙烯复合材料在灯具中的应用。
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