CN109370204A - 一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法，所述复合材料包括以下重量份的组分：尼龙6树脂60‑100份、LDPE5‑15份、增容剂5‑15份、氮化硼15‑55份、碳纤维5‑40份、助剂0.5‑5份、抗氧剂0.05‑0.1份。本发明制备的复合材料具有良好的导热性、绝缘性及优良的综合机械性能。

Description

一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子信息行业技术不断提升，微型电子集成以及电子外部散热问题的日益突出，电子电气材料行业在一定程度上对于导热型高分子复合材料的需求越来越高，借助于高分子复合材料优异的性能帮助其解决散热问题，以提高产品使用寿命。使电子电气产品元件能够在最安全的温度范围内工作，提升产品整体的使用价值。
尼龙6，即聚己内酰胺，简称PA6。它是由ε-己内酰胺聚合制得，是一种性能优异的工程塑料。由于PA6具良有力学强度高、自润滑、电气绝缘性能良好、耐磨、抗振、吸声、耐油、加工流动性好等优良的综合性能等优点，被广泛应用于汽车产业、电子电工行业、机械设备制造行业、建筑行业、外包装行业以及其他工业或生活用品等领域。但其耐热性差、冲击强度低，吸水性高导致制品的尺寸稳定性差，和大部分工程塑料一样，PA6也不具备良好的导热性能。
发明内容
本发明主要提供了一种改性导热尼龙复合材料及其制备方法，该材料具有良好的导热性、绝缘性及优良的综合机械性能。其技术方案如下：
一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂60-100份、LDPE5-15份、增容剂5-15份、氮化硼15-55份、碳纤维5-40份、助剂0.5-5份、抗氧剂0.05-0.1份。
优选的，所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照1-6:1的重量比组成。
优选的，所述增容剂选自POE-g-MAH，EPDM-g-MAH，SEBS-g-MAH中的一种或几种。
优选的，所述助剂选自硅烷偶联剂KH-550、KH-570或超分散偶联改性剂JL-G05FL中的一种或几种。
优选的，所述抗氧剂由抗氧剂1098和抗氧剂168按照(2～3):(4～6)的重量比组成。
优选的，所述碳纤维为短碳纤维，短碳纤维的平均长度为120-150μm。
上述改性导热尼龙复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的氮化硼置于反应容器中，并设置冷凝装置，然后向反应容器中加入乙醇和配方量的助剂，对反应容器加热使反应，得到改性氮化硼，对改性氮化硼清洗并干燥；
(2)按配方量称取尼龙6树脂、LDPE、改性氮化硼、增容剂、碳纤维、抗氧剂于密炼机中熔融共混，得复合材料；
(3)将制得的复合材料粉碎并注塑成型。
优选的，步骤(1)中反应容器的加热温度为40-90℃，反应时间为2-10h。
优选的，步骤(2)中熔融共混的温度为200-280℃，共混时间为3-5min。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
(1)在导热复合材料中引入LDPE，一方面使得导热填料能够有选择性的集中分布在PA6相中，增加了导热填料的堆砌密度，提高了其导热效率，另一方面增容改性的PA6/LDPE基体相容性好，分子链间缠结程度大，使得复合体系的力学性能，特别是冲击强度明显提高。
(2)通过不同粒径复配氮化硼体系的加入在提高复合材料导热系数的同时可以提高其力学性能，因为小粒径的导热粒子能够较好的提升复合材料的导热系数，大粒径在一定程度上能够改善复合材料的力学性能。实际上，复合材料导热系数的提升主要原因是由于导热粒子之间的有效堆砌，形成较多的物理连接，即形成较多的导热网链，在一定的粒径范围内，大粒径的导热粒子和树脂基体之间接触界面不大，热量传递的过程中产生的热阻相对就较低，而小粒径的粒子可以进入大粒子无法占据的空间，从而增加了导热粒子之间的物理连接，理论上来讲，形成较多的导热网链，从而在根本上提升复合材料的导热系数。
(3)本发明加入碳纤维，不仅进一步提高了复合材料的导热性能，同时也提高了材料的力学性能。碳纤维为短纤维(平均长度135um)，主要成分为碳结构，具有良好的导热性能，随着碳纤维的加入，复合体系中树脂与导热粒子之间填充部分的碳纤维，碳纤维能够在树脂和导热粒子之间形成良好的链接，形成较多的导热网链，从而提升复合体系的导热系数。碳纤维增强树脂复合材料吸收外力主要集中在碳纤维的断裂、碳纤维的拔出和树脂的断裂三个方面。复合材料随着碳纤维的加入，具有一定长径比的碳纤维分散在氮化硼粒子与尼龙基体之间，当复合材料受到外力作用时，碳纤维与树脂的接触面可以吸收较多能量，此外碳纤维本身具有很高的刚性以及拉伸强度，可以吸收大量外界拉力，从而使得复合材料的力学性能得到提高。
(4)双峰分布氮化硼经超分散偶联剂处理后，与其结构中的极性官能团结合，形成一种超过范德华力的作用力。同时超分散偶联剂还具有聚合碳链，能够提供给聚合物一定的润湿效果和相容性。使用硅烷偶联剂处理氮化硼后，可将氮化硼填料的亲水性表面转变成亲有机表面，即可避免体系中粒子集结以及聚合物急剧稠化，还可提高聚合物对填料的润湿性。
(5)本发明所述的无机杂化填料改性导热尼龙复合材料在满足较高的导热性能的同时具有优异的力学性能。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
1.一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂80份、LDPE10份、POE-g-MAH 15份、氮化硼40份、平均长度为135μm的短碳纤维25份、硅烷偶联剂KH-5503份、抗氧剂1098 0.02份、抗氧剂168 0.04份。
所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照3:1的重量比组成。
2.制备方法如下：
(1)将配方量氮化硼放置于三口烧瓶中，设有冷凝装置，然后加入乙醇溶液和一定量的硅烷偶联剂或超分散偶联剂，将装置放置于水浴锅中搅拌加热，温度设定为：75(40～90)℃，反应时间4(2～10)h。实验结束，将改性氮化硼在120(80～160)℃的烘箱里干燥8(4～20)h，最后将改性氮化硼用无水乙醇反复清洗以除去其中未反应的偶联剂，放入烘箱120℃干燥6h后取出待用；
(2)按照配方称取尼龙、碳纤维、改性后的氮化硼在80℃下真空烘箱干燥10(4～20)小时备用。将干燥后的尼龙与LDPE，增容剂以及改性氮化硼、碳纤维、抗氧剂按照一定实验比例混合后于密炼机中熔融共混3-5分钟，温度设定为200～280℃；
(3)将制得的复合材料粉碎后经哈克微型注塑机注塑成型；
(4)自制导热测试样品模具，在一定压力下，通过平板硫化机热压成型，制得导热测试标准样。
实施例2
一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂100份、LDPE15份、EPDM-g-MAH 5份、氮化硼15份、平均长度为150μm的短碳纤维40份、超分散偶联改性剂JL-G05FL 5份、抗氧剂1098 0.025份、抗氧剂168 0.075份。
所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照6:1的重量比组成。
复合材料的制备方法同实施例1。
实施例3
一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂60份、LDPE5份、POE-g-MAH 10份、SEBS-g-MAH 5份、氮化硼55份、平均长度为120μm的短碳纤维10份、硅烷偶联剂KH-550 2份、硅烷偶联剂KH-570 3份、抗氧剂1098 0.02份、抗氧剂168 0.06份。
所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照1:1的重量比组成。
复合材料的制备方法同实施例1。
实施例4
一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂80份、LDPE10份、SEBS-g-MAH 5份、氮化硼20份、平均长度为140μm的短碳纤维30份、硅烷偶联剂KH-5500.5份、抗氧剂1098 0.02份、抗氧剂168 0.04份。
所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照5:1的重量比组成。
复合材料的制备方法同实施例1。
实施例5
一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂75份、LDPE8份、SEBS-g-MAH 7份、氮化硼15份、平均长度为135μm的短碳纤维15份、硅烷偶联剂KH-550 1份、KH-570 1份、超分散偶联改性剂JL-G05FL 1份、抗氧剂1098 0.02份、抗氧剂168 0.04份。
所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照4:1的重量比组成。
复合材料的制备方法同实施例1。
实施例6
分别测定实施例1-5中复合材料的导热系数、拉伸强度、冲击强度，测试结果如表1所示。
表1测试结果
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种改性导热尼龙复合材料，其包括以下重量份的组分：尼龙6树脂60-100份、LDPE5-15份、增容剂5-15份、氮化硼15-55份、碳纤维5-40份、助剂0.5-5份、抗氧剂0.05-0.1份。
2.根据权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料，其特征在于：所述氮化硼由粒径15μm和3μm的双峰分布型片状氮化硼按照1-6:1的重量比组成。
3.根据权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料，其特征在于：所述增容剂选自POE-g-MAH，EPDM-g-MAH，SEBS-g-MAH中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料，其特征在于：所述助剂选自硅烷偶联剂KH-550、KH-570或超分散偶联改性剂JL-G05FL中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料，其特征在于：所述抗氧剂由抗氧剂1098和抗氧剂168按照(2～3):(4～6)的重量比组成。
6.根据权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料，其特征在于：所述碳纤维为短碳纤维，短碳纤维的平均长度为120-150μm。
7.一种如权利要求1所述的改性导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将配方量的氮化硼置于反应容器中，并设置冷凝装置，然后向反应容器中加入乙醇和配方量的助剂，对反应容器加热使反应，得到改性氮化硼，对改性氮化硼清洗并干燥；
(2)按配方量称取尼龙6树脂、LDPE、改性氮化硼、增容剂、碳纤维、抗氧剂于密炼机中熔融共混，得复合材料；
(3)将制得的复合材料粉碎并注塑成型。
8.根据权利要求7所述的改性导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中反应容器的加热温度为40-90℃，反应时间为2-10h。
9.根据权利要求7所述的改性导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中熔融共混的温度为200-280℃，共混时间为3-5min。
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