CN109575558A - 一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子复合材料技术领域，公开了一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料及其制备方法。该复合材料包括以下重量份数的组分，高分子基体树脂100份、散热填料0.1‑50份、阻燃剂1‑5份、抗氧剂0.5‑1.5份、相容剂0.5‑7份、防滴落剂0.1‑0.5份、增韧剂1‑4份。本发明提供的高分子复合材料具有优异的耐冲击性，表面耐刮擦性和阻燃性，能够满足笔记本电脑外壳用塑料的要求，具有相当的推广应用价值。

Description

一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料，特别涉及一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料及其制备方法。
背景技术
由于笔记本电脑具有结构紧凑、移动性强、使用环境多变等特点，因此要求其外壳材料具备机械强度高、耐刮擦、耐高低温冲击性优异、耐热性好、耐燃烧、重量轻、而且成型加工性优良、可电镀和造价较低等特点。
目前笔记本电脑外壳多使用工程塑料、镁铝合金、碳纤维等材料制造；工程塑料外壳具有很好的加工性，可制造性能优异的薄壁及复杂形状制品，成本低，最大的缺点是重和散热差，且无电磁屏蔽效果；镁铝合金外壳散热能力优秀，强度、硬度是塑料外壳的几倍，重量却比塑料外壳轻，可承受较大的冲击载荷，拥有电磁屏蔽效果。但是镁铝合金外壳需冲压或者压铸工艺成型，成本较高，耐磨性一般，容易被刮花；碳纤维外壳强韧性比其他二种高，重量比其他二种轻，拥有很好的散热和电磁屏蔽能力，但是碳纤维外壳成型工艺比工程塑料外壳复杂，成本高；比如中国专利CN104325756A公开了一种笔记本外壳用碳纤维增强复合材料，选择碳纤维增强环氧树脂预浸料作为复合材料的外层材料，热塑性塑料作为夹芯材料，通过热压成型，制备笔记本外壳用碳纤维增强复合材料，缺点是工艺复杂、不易控制、成本较高。
石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料、高杨氏模量(1.0TPa)；常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，电阻率只有10-6Ω·cm，比铜或银更低，是目前世上电阻率最小的材料；导热系数高达5000W/m·K，是目前已知的具有最高热导率的材料；发明人起初决定采用石墨烯作为笔记本电脑外壳的散热填料，然而发明人发现石墨烯含量过高，材料的可加工性就会降低，同时各种原辅料不能均匀分散，反而会降低材料的导热性能，随着试验的进行，发明人惊喜的发现，将较少含量的石墨烯和特定重量份的碳纳米管，并联合特定纳米材料和助剂，不但能改善石墨烯和其他高分子材料的结合紧密度，提高初始热导率的同时还可以改善材料的加工性。
发明内容
为了解决现有技术中的笔记本电脑外壳导热性差、坚硬度不够的问题，本发明提供了一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料，包括以下重量份数的组分
所述散热填料是由石墨烯或氧化石墨烯、碳纳米管、纳米三氧化二铝或纳米氮化硼或纳米碳酸钙、助剂制备而成的。
其中，本发明提供的复合材料的散热填料的制备方法为：
(3.1)将0.1-10重量份石墨烯或氧化石墨烯加入至分散剂混合液中，搅拌至浸湿完全，得混合液A，并将所述混合液超声1-12小时；优选地，分散剂混合液是将0.1-10份分散剂加入到70重量份水中，搅拌至分散剂完全溶解，搅拌的速度为300-800r/min；所述分散剂为CMC(羧甲基纤维素钠)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、BYK-163或SDS(十二烷基硫酸钠)的一种或两种。
(3.2)将1-30重量份纳米三氧化二铝、纳米氮化硼或纳米碳酸钙粉体中的一种或几种，研磨过后加入至混合液A中,搅拌得到混合液B；优选地，搅拌的速度为300-800r/min，搅拌的时间为1-120min。
(3.3)将0.5-30重量份碳纳米管加入至混合液B中，搅拌后再通过循环研磨，得混合液C，压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；优选地，搅拌速度为300-800r/min，搅拌的时间为30-120min。
(3.4)在惰性气体保护氛围中，将石墨烯/纳米粉体复合物进行高温处理，高温处理的温度为200-1500℃，高温处理时间为0.5-12h；
(3.5)向高温处理后的石墨烯/纳米粉体复合物中加入助剂，充分混合并发生反应，得散热填料；优选地，所述助剂为硬脂酸、PE蜡、石蜡、钛酸酯、铝酸酯或马来酸酐的一种或几种。
所述高分子基体树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂和防滴落剂均为本领域常用的原辅料，可以根据具体的需要选择合适的原辅料。
作为优选，所述高分子基体树脂为聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或几种。
作为优选，所述阻燃剂为三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、磷酸三(丁氧基乙基)酯(TBEP)、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯(TCPP)中一种或几种。
作为优选，所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸苯酯(抗氧剂168)或β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)中的一种或几种。
作为优选，所述相容剂为自丁二烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯接枝聚合物、马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯酸接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、氨基化苯乙烯丙烯腈共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯-加氢丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的一种或几种。
作为优选，所述防滴落剂为丙烯腈苯乙烯共聚物包覆的聚四氟乙烯；所述增韧剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物或聚硅氧烷的一种或几种。
本发明还提供了一种高分子复合材料的制备方法，该方法为，按重量份称取高分子基体树脂100份、散热填料0.1-50份、阻燃剂1-5份、抗氧剂0.5-1.5份、相容剂5-7份、防滴落剂0.1-0.5份、增韧剂2-4份，将各原料混合均匀后，采用双螺杆挤出机挤出造粒，得到高分子复合材料。
本发明所制备的散热填料能实现石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料与纳米三氧化二铝、纳米氮化硼等材料复合后的均匀分散，并在热处理的过程中除去其中的有机分散剂，碳材料在高温条件下与纳米粉体发生自组装，修复粉体表面的晶格缺陷，达到纳米尺度的微结晶，因此散热填料的导热系数大幅提升，提高复合材料的热导率；本发明采用采用特定增韧剂作为硬度改性剂，选用的纳米粉体材料与之进行复配并发生协同作用，在改善材料硬度和耐刮擦性能的同时又不会影响材料的其他性能；本发明散热填料在加工过程中能减少VOC的产生，石墨烯可吸附自由基，接枝到高分子链端，增强材料的强度，马来酸酐等助剂提前与散热填料混合均匀，可产生固定在高分子加工过程中产生的自由基的作用，高分子材料在加工过程中产生的自由基被石墨烯共轭大π键捕捉，可将共聚物接枝到石墨烯表面，故石墨烯表面与高分子材料结合的更紧密，提高初始热导率的同时还改善了材料的加工性；本发明中散热填料提前与马来酸酐等助剂混合，可修饰石墨烯，并促进石墨烯在高分子材料中分散，共聚物中的酸酐基团可以与PA6、PA66、PA12链段中的端氨基以及PBT、PET链段中的端羟基、端羧基反应，从而提高石墨烯再树脂基体中的分散性，减少石墨烯团聚发生，故在较低石墨烯含量时就能得到较高热导率的导热塑料。由以上技术方案可知，本发明提供的高分子复合材料具有优异的耐冲击性，表面耐刮擦性和阻燃性，能够满足笔记本电脑外壳用塑料的要求，具有相当的推广应用价值。
具体实施方式
本发明公开了一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明当中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
实施例1散热填料的制备
(3.1)称取0.1重量份石墨烯加入至CMC分散液中，300r/min下充分搅拌10min至浸湿完全，得混合液A，超声1小时；
(3.2)称取1重量份纳米三氧化二铝粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,300r/min下搅拌1min，得混合液B；
(3.3)称取0.5重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在300r/min下搅拌30min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨2h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，200℃高温处理0.5小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入硬脂酸和马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例2散热填料的制备
(3.1)称取10重量份氧化石墨烯加入至BYK-163分散液中，800r/min下充分搅拌60min至浸湿完全，得混合液A，超声12小时；
(3.2)称取30重量份的纳米氮化硼和纳米碳酸钙粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,800r/min下搅拌120min，得混合液B；
(3.3)称取30重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在800r/min下搅拌120min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨2h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，1500℃高温处理12小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例3散热填料的制备
(3.1)称取5重量份石墨烯加入至SDS分散液中，550r/min下充分搅拌30min至浸湿完全，得混合液A，超声6小时；
(3.2)称取15重量份纳米碳酸钙粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,600r/min下搅拌60min，得混合液B；
(3.3)称取15重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在600r/min下搅拌80min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨2h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，600℃高温处理6小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入铝酸酯和马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例4散热填料的制备
(3.1)称取8重量份石墨烯加入至PVP分散液中，400r/min下充分搅拌20min至浸湿完全，得混合液A，超声4小时；
(3.2)称取10重量份纳米氮化硼粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,600r/min下搅拌50min，得混合液B；
(3.3)称取1重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在700r/min下搅拌50min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨2h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，1200℃高温处理3小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入硬脂酸、PE蜡和马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例5散热填料的制备
(3.1)称取5重量份石墨烯加入至SDS和CMC混合分散液中，550r/min下充分搅拌30min至浸湿完全，得混合液A，超声11小时；
(3.2)称取18重量份纳米碳酸钙粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,600r/min下搅拌80min，得混合液B；
(3.3)称取15重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在500r/min下搅拌100min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨10h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，1000℃高温处理8小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入钛酸酯和马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例6散热填料的制备
(3.1)称取8重量氧化份石墨烯加入至PVP分散液中，400r/min下充分搅拌300min至浸湿完全，得混合液A，超声6小时；
(3.2)称取22重量份纳米三氧化二铝粉体，研磨过100目筛后加入至混合液A中,700r/min下搅拌80min，得混合液B；
(3.3)称取5重量份碳纳米管加入至混合液B中，先在600r/min下搅拌30min，再通过卧式砂磨机进行循环研磨2h,得混合液C,将混合液C压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)将石墨烯/纳米粉体复合物放入惰性气体保护氛围的高温装置中，1400℃高温处理4小时，得具有特殊表面结构的石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.5)称取石墨烯/纳米粉体复合物，加入混合机中，并向其中加入马来酸酐助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
实施例7
现将实施例1-6的散热填料用作制备笔记本电脑外壳的高分子复合材料1-6号，并对复合材料进行性能测试，测试结果如下：
按照表格1中的重量份称取高分子基体树脂、实施例1-6所制备的散热填料、本发明所述的阻燃剂、抗氧剂、相容剂、防滴落剂和增韧剂，将它们通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机机筒内熔融共混挤出造粒，得到高分子复合材料；对复合材料的性能进行测试，测试结果见表2。
表1高分子复合材料的组分配方
表2对应产品的性能对比
表2数据显示，添加散热填料后，材料的导热系数提升较大，分别较普通树脂(无任何散热填料)的导热系数(0.1W/m·k左右)提升了10到100倍；另外拉伸强度、弯曲模量、缺口冲击强度等机械性能指标得到相应的提升，说明散热填料在改善散热性能的同时，对材料的机械性能也有所提升。
采用高含量的单一石墨烯作为散热填料，由于石墨烯含量过高，材料的可加工性能降低，同时各种原辅料不能均匀分散，反而会降低材料的导热性能；表格2数据显示，采用合适量的单一石墨烯作为散热填料，其产品导热系数比实施例1-6号产品的导热系数偏低，3号复合材料和对比例1的复合材料相比，其导热性仍然能低于散热填料的散热性，而材料的其余性能较为接近。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于笔记本电脑外壳的高分子复合材料，其特征在于，包括以下重量份数的组分：
2.如权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述散热填料是由石墨烯或氧化石墨烯、碳纳米管、纳米三氧化二铝或纳米氮化硼或纳米碳酸钙、助剂制备而成的。
3.如权利要求1或2所述的高分子复合材料，其特征在于，所述散热填料的制备方法为：
(3.1)将0.1-10重量份石墨烯或氧化石墨烯加入至分散剂混合液中，搅拌至浸湿完全，得混合液A，并将所述混合液超声1-12小时；
(3.2)将1-30重量份纳米三氧化二铝、纳米氮化硼或纳米碳酸钙粉体中的一种或几种，研磨过后加入至混合液A中,搅拌得到混合液B；
(3.3)将0.5-30重量份碳纳米管加入至混合液B中，搅拌后再通过循环研磨，得混合液C，压滤、粉碎、烘干得石墨烯/纳米粉体复合物；
(3.4)在惰性气体保护氛围中，将石墨烯/纳米粉体复合物进行高温处理，高温处理的温度为200-1500℃，高温处理时间为0.5-12h；
(3.5)向高温处理后的石墨烯/纳米粉体复合物中加入助剂，充分混合并发生反应，得散热填料。
4.如权利要求3所述的高分子复合材料，其特征在于，所述步骤(3.1)中的分散剂混合液是将0.1-10份分散剂加入到70份水中，搅拌至分散剂完全溶解，搅拌的速度为300-800r/min；所述分散剂为CMC、PVP、BYK-163或SDS的一种或两种。
5.如权利要求3所述的高分子复合材料，其特征在于，所述步骤(3.2)中的搅拌的速度为300-800r/min，搅拌的时间为1-120min；所述步骤(3.3)中的搅拌速度为300-800r/min，搅拌的时间为30-120min。
6.如权利要求3所述的高分子复合材料，其特征在于，所述步骤(3.5)中的助剂为硬脂酸、PE蜡、石蜡、钛酸酯、铝酸酯或马来酸酐的一种或几种。
7.如权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述高分子基体树脂为所述高分子基体树脂为聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述阻燃剂为三(2-氯乙基)磷酸酯、磷酸三(丁氧基乙基)酯、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯中一种或几种；所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸苯酯或β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八碳醇酯中的一种或几种。
9.如权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述相容剂为自丁二烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯接枝聚合物、马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯酸接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、氨基化苯乙烯丙烯腈共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯-加氢丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的一种或几种的混合物；所述防滴落剂为丙烯腈苯乙烯共聚物包覆的聚四氟乙烯；所述增韧剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物或聚硅氧烷的一种或几种。
10.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备方法，其特征在于，按重量份称取高分子基体树脂100份、散热填料0.1-50份、阻燃剂1-5份、抗氧剂0.5-1.5份、相容剂5-7份、防滴落剂0.1-0.5份、增韧剂2-4份，将各原辅料混合均匀后，采用双螺杆挤出机挤出造粒，得到高分子复合材料。
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