CN109206908A - 一种高导热石墨/塑料复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高导热石墨/塑料复合材料是由导热填料和塑料颗粒组成，其中导热填料的质量百分比为5～50%，塑料颗粒的质量百分比为50～95%。采用将导热填料和塑料先在三维混合机中预混合均匀，放入反应釜中，加热使塑料熔融，之后在抽真空，使导热填料进一步均匀分散在塑料基体中，最后混合物放入模具中加热，加压，冷却后制得高导热石墨/塑料复合材。本发明具有制备工艺简单、导热性能分布均匀，导热效果好的优点。

Description

一种高导热石墨/塑料复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子复合材料领域，特别涉及一种高导热石墨/塑料复合材料及其制备方法。
背景技术
在民用电子电器、玩具、通讯、线缆、军工、航天等许多领域都涉及到需要具有一定导热或散热功能的零件，同时需要有较高的机械强度和一定的耐温能力，这些产品目前基本上使用金属原材料生产，而金属的密度大，生产加工难度大，成本费用高，因此目前高分子材料中，国际上用塑料替代金属的应用不断扩大，尤其是LED灯具广泛应用以来，在世界范围内掀起了导热塑料的研究开发热潮，并由此带动了导热塑料在其它领域的研发和应用。
高分子有机物塑料具有绝缘、质轻、耐腐蚀、韧性好、易加工等特点，但其导热率非常低，一般在0.1～0.5W/m.K之间，因此要想利用其优势性能作为热管理材料来应用，必须对其导热性进行改善。提高塑料导热性能的方法有两种：一种是结构型导热塑料即合成本身就具有高导热性能的聚合物或者对塑料进行物理化学改性提高其导热性能；二是填充型导热塑料即通过添加导热填料（金属粉末或纤维、碳纳米管、氧化铝、氮化硅、氮化铝等）在塑料内形成导热通路实现提高导热性能。方法一的研究开发成本高，难度大，难以实现工业化生产，且导热性能提高不明显；方法二的成本较低，但填料的加入常常会影响塑料的其它性能，如力学强度等，应用范围受到很大限制。目前，90%的导热塑料都属于填充型。影响填充型导热塑料的性能主要有两个因素：填料的选择及用量和填料的分散状况，因此如何选择导热填料及导热填料在基体塑料中的分散状况是高性能导热塑料复合材料所面临需要解决的问题。
炭石墨材料因其特殊的结构所以不仅具有较高的导热系数而且还具有质轻、结构稳定等特点常被用作导热增强剂，如石墨烯、碳纳米管、碳纤维、导热石墨等，在小添加量情况下可是使树脂的导热系数获得数倍的提高。专利申请号：200710044603.1公布了一种碳纤维改性塑料的方法，采用此方法制备出的改性塑料在各项性能指标上都有了明显的提高，但局部位置混合不匀，使得导热性能分布不均匀。石墨烯由于其独特的二维结构以及优异的导电、导热性能，是一种作为导热填料理想的材料。专利申请号：201510897195.9公开了一种石墨烯导热塑料的制备方法，所述配方包括树脂60～90%、石墨烯1～20%、阻燃剂5～20%、偶联剂0.1～5%、分散剂1～10%、抗氧化剂0.5～5%、助剂1～10%，其不足之处在于采用此方法制备的材料的热导率不高，而且工艺复杂、制备成本较高。
迄今为止，众多专利已经报道了导热塑料的制备及其性能，但由于成本及炭、石墨材料本身表面是惰性的、疏水的，所以它无法和其他诸如金属氧化物，金属氮化物，高分子塑料等充分均匀混合，这就导致了导热塑料内部结构不均一，导热性能分布不均等，极大的影响了材料的导热效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备工艺简单、导热性能分布均匀，导热效果好的高导热石墨/塑料复合材料及其制备方法。
本领域将热导率在1～5 W/m.K的塑料即可被称为导热塑料；在5～10W/m.K的为高导热塑料；＞10W/m.K的被称为超高导热塑料，这种塑料既有绝缘型的，也有导电型的，主要由填料的电导性所决定。
本发明一种高导热石墨/塑料复合材是由导热填料和塑料颗粒组成，其中导热填料的质量百分比为5～50%，塑料颗粒的质量百分比为５０～９５%。
如上所述导热填料为可膨胀酸化石墨，塑料颗粒包括聚苯硫（PPS）、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）中的一种。
目前通过填料法来制备导热塑料，一般填料与树脂的共混多采用溶液共混、粉末共混、熔融共混三种方法。本发明采用了有别于上述的填料与树脂基体混合方法—熔体剥离法，该制备方法包括如下步骤：
（1）将导热填料和塑料先在三维混合机中预混合均匀，混合时间0.5～2.0小时；
（2）将混合物放入反应釜中，加热使塑料熔融，在加热温度150～300℃，搅拌速度60～300r/min条件下，恒温时间为1.0～3.0小时，之后在真空度为10～20Pa,抽真空1.0～2.0小时，使导热填料进一步均匀分散在塑料基体中；
（3）将混合物放入模具中，加热到150～350℃，加压到10～20MPa、冷却后制得高导热石墨/塑料复合材。
本发明由于所制的高导热石墨/塑料复合材在内部容易形成三维导热骨架网络，使得本发明制备的塑料具有高的导热性能，所制的高导热石墨/塑料复合材的导热率5～10W/m.K。可膨胀石墨起导热填料的作用，经负压膨胀后形成三维导热骨架网络。这种具有高导热性能的塑料，在面向有利于均热，避免局部导热不均匀，减少零件因高温造成的局部变形，因此这种高导热塑料不仅可以应用在LED、导热管材和换热器中，更是航空航天领域必不可少的关键部件。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、制备工艺简单、导热性能分布均匀，导热效果好。
2、本发明填料与树脂基体的混合采用了一种新的混合方法—熔体剥离法。
3、本发明所制的导热塑料在内部容易形成三维导热骨架网络。
附图说明
图１是本发明实施例3的高导热石墨/塑料复合材料微观结构。
实施例1
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料PPS（聚苯硫醚）的质量比为1:19，在三维混合机中预混合0.5小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到300℃使塑料PPS熔融，同时加搅拌，搅拌速度为60r/min，恒温1小时，然后抽真空到20Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨通过以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至300℃，成型压力为10MPa，所制得高导热塑料的密度为1.31 g/cm3，热导率为5.2W/m.K。
实施例2
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料PPS（聚苯硫醚）的质量比为1:19，在三维混合机中预混合1小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到300℃使塑料PPS熔融，同时加搅拌，搅拌速度为100r/min，恒温2小时，然后抽真空到15Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至300℃，成型压力为15MPa，所制得高导热塑料的密度为1.33 g/cm3，热导率为5.5W/m.K。
实施例3
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料PPS（聚苯硫醚）的质量比为1:5，在三维在三维混合机中预混合2小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到300℃使塑料PPS熔融，同时加搅拌，搅拌速度为200r/min，恒温3小时，然后抽真空到10Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至250℃，成型压力为10MPa，所制得高导热塑料的密度为1.31 g/cm3，热导率为8W/m.K。
实施例4
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚苯硫醚）的质量比为1:5，在三维混合机中预混合2小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到250℃使塑料ABS熔融，同时加搅拌，搅拌速度为300r/min，恒温3小时，然后抽真空到10Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至250℃，成型压力为20MPa，所制得高导热塑料的密度为1.0 g/cm3，热导率为6.8W/m.K。
实施例5
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料PE（聚乙烯）的质量比为1:4，在三维混合机中预混合2小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到150℃使塑料PE熔融，同时加搅拌，搅拌速度为300r/min，恒温3小时，然后抽真空到10Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至150℃，成型压力为20MPa，所制得高导热塑料的密度为0.93 g/cm3，热导率为7.2W/m.K。
实施例6
按导热填料可膨胀酸化石墨和塑料PP（聚丙烯）的质量比为1:2，在三维混合机中预混合2小时，将混合物放入反应釜中，温度加热到200℃使塑料PP熔融，同时加搅拌，搅拌速度为300r/min，恒温3小时，然后抽真空到10Pa，保持1小时，可膨胀酸化石墨通过熔体剥离以石墨蠕虫的形态均匀分散在基体塑料中，将所制得的混合物放入模具中，加热至200℃，成型压力为20MPa，所制得高导热塑料的密度为0.91 g/cm3，热导率为10W/m.K。

Claims (4)

1.一种高导热石墨/塑料复合材料,其特征在于高导热石墨/塑料复合材是由导热填料和塑料颗粒组成，其中导热填料的质量百分比为5～50%，塑料颗粒的质量百分比为50～95%。
2.如权利要求1所述的一种高导热石墨/塑料复合材料,其特征在于所述导热填料为可膨胀酸化石墨。
3.如权利要求1所述的一种高导热石墨/塑料复合材料,其特征在于所述塑料颗粒为聚苯硫、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯中的一种。
4.如权利要求1所述的一种高导热石墨/塑料复合材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤：
（1）将导热填料和塑料先在三维混合机中预混合均匀，混合时间0.5～2.0小时；
（2）将混合物放入反应釜中，加热使塑料熔融，在加热温度150～300℃，搅拌速度60～300r/min条件下，恒温时间为1.0～3.0小时，之后在真空度为10～20Pa,抽真空1.0～2.0小时，使导热填料进一步均匀分散在塑料基体中；
（3）将混合物放入模具中，加热到150～350℃，加压到10～20MPa、冷却后制得高导热石墨/塑料复合材。
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