CN109851985A - 一种阻燃增强导热聚酮复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阻燃增强导热聚酮复合材料及其制备方法，该阻燃增强导热聚酮复合材料，按照重量配比的组分包括：聚酮树脂50‑65.3份、石墨烯微晶片5‑20份、金属纤维10‑30份、抗氧剂0.2‑0.5份、阻燃剂4‑8份、润滑剂0.2‑0.5份。本发明的目的在于提供一种阻燃增强导热聚酮材料，相比其他导热高分子材料，具有冲击强度高，易加工、尺寸稳定好的特性。

Description

一种阻燃增强导热聚酮复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料，尤其涉及到一种阻燃增强导热聚酮复合材料及其制备方法。

背景技术

导热高分子复合材料由于其加工成型简单、密度小、耐腐蚀等优点，成为解决LED灯具散热的优选材料。但传统使用氧化铝、氧化镁等导热填料制备的导热塑料导热系数一般在1w/(m.k)左右，仅可用于小于30W的低功率照明LED灯。LED行业是发展最快的技术行业之一，尽管LED应用于许多电子设备中已多年，但是近来更多的大功率LED应用于各种照明、汽车、招牌和家用电器产品中，数量不菲，基于LED的照明可靠性取决于组件周围良好的散热设计，传统的导热塑料已不能满足要求。

石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似)，因而具有优良的导热及导电特性，层内导热系数高达5000W/(M.K)。将石墨烯作为主要散热介质制备导热高分子具备良好的导热特性，导热系数可达2-6W/(M.K)，能满足大功率LED照明散热要求。

现有导热复合材料通常使用尼龙、聚苯硫醚等工程塑料，但尼龙含大量酰胺基，易吸水，导致尺寸变化，引起散热器与LED灯贴合不紧，降低导热效率，聚苯硫醚成型工艺条件苛刻，不利于成型大尺寸散热器及大批量生产，大量石墨烯的加入会引起性能的劣化，通常加入玻璃纤维等增强材料，保持材料良好的机械性能，但是玻璃纤维导热系数低，大量加入会引起加工性能的劣化。

发明内容

为解决上述提到的现有技术中存在的不足和问题，本发明提供一种阻燃增强导热聚酮复合材料，按照重量配比的组分包括：

进一步地，所述聚酮树脂选用熔融指数为60-250g/10min其中熔融指数的测试条件为240℃/5kg。

进一步地，所述的石墨烯微晶片选用片层直径7-10μm，厚度小于100nm。

进一步地，所述金属纤维选用铝纤维、铜纤维、不锈钢纤维中的一种或几种组合，直径为6-12μm，短切长度为1-3mm。

进一步地，所述抗氧剂选用β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂627AV)，按质量份1：1复配。

进一步地，所述阻燃剂选用红磷含量40％，使用PBT为载体。

进一步地，所述润滑剂选用季戊四醇硬脂酸酯PETS。

本发明还提供一种如上述的阻燃增强导热聚酮复合材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将金属纤维浸入含2％硅烷偶联剂KH560的水溶液中，浸泡30min，然后放入鼓风干燥箱中干燥3h，备用；

步骤二、将按照一定质量配比的聚酮树脂和阻燃剂放入鼓风干燥箱中，在120℃条件下，鼓风干燥12h；

步骤三、将步骤一烘干好的原料、按质量配比的抗氧剂、石墨烯微晶片、阻燃剂、润滑剂加入混料机中混合5-10min，转速为300r/min得预混物；

步骤四、将预混物通过主喂料加入双螺杆挤出机中，金属纤维通过侧喂料口加入双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融造粒挤出，所述双螺杆挤出机长径比为40：1，含真空排气装置；

步骤五、采用水冷拉条切粒方法，再经过晒分脱水制得阻燃增强导热聚酮复合材料

具体地，所述阻燃增强导热聚酮复合材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将金属纤维浸入含2％硅烷偶联剂KH560的水溶液中，浸泡30Mmin，然后放入鼓风干燥箱中干燥3h，备用

步骤二、将按照一定质量配比的PK树脂和红磷母粒放入鼓风干燥箱中，在120℃条件下，鼓风干燥12h；

步骤三、将步骤一烘干好的原料按质量配比的抗氧剂、石墨烯微晶片、阻燃剂、润滑剂加入混料机中混合5-10min，转速为300r/min，得预混物；

步骤四、将预混物通过主喂料加入双螺杆挤出机中，金属纤维通过侧喂料口加入双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融造粒挤出，所述双螺杆挤出机长径比为40：1，含真空排气装置；

步骤五、采用水冷拉条切粒方法，再经过晒分脱水制得阻燃增强导热聚酮复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通用石墨烯微晶片、金属纤维、红磷母粒的有效配伍提高了材料的导热系数，因石墨烯微晶片，粒子尺寸小，不易分散，加入金属纤维可以有效提高材料在双螺杆挤出机中所受到的剪切力，有利于石墨烯的分散，同时因为金属纤维和红磷固体颗粒存在的体积效益，可在达到相同导热系数的前提下，有效减少石墨烯的使用量；

本发明通过添加石墨烯微晶片提高导热系数，可导致材料的冲击强度降低，制品锁螺丝易开裂，金属纤维可以起到有效的补强作用，提高材料的冲击强度，同时提高导热系数，降低石墨烯的添加量；

本发明通过使用石墨烯微晶片和红磷母粒搭配使用，有效降低红磷母粒添加量，同时多孔石墨烯的存在可吸附大量的气味，降低燃烧时的气味。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的阻燃增强导热聚酮复合材料如表1的实施例1-3(各组分按照重量配比)：

表1

为了便于证明本发明提供的组分之间的协同作用，本发明还提供如表2的对比例1-3(各组分按重量配比)

表2

其中，聚酮树脂优选熔融指数为60-250g/10min其中熔融指数的测试条件为240℃/5kg。

石墨烯微晶片优选片层直径7-10μm，厚度小于100nm。

金属纤维优选铝纤维、铜纤维、不锈钢纤维中的一种或几种组合，直径为6-12μm，短切长度为1-3mm。

抗氧剂优选β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂627AV)，按质量份1：1复配。

阻燃剂优选红磷含量40％，使用PBT为载体。

润滑剂优选季戊四醇硬脂酸酯PETS。

以下为上述实施例和对比例的制备方法(按表1和表2的重量配比称取各实施例的组分)：

步骤一、将金属纤维浸入含2％硅烷偶联剂KH560的水溶液中，浸泡30min，然后放入鼓风干燥箱中干燥3h，备用；步骤一位金属纤维表面处理，目的为提高塑料基材与金属纤维界面的粘结强度，提高金属纤维的补强效果，该步骤为通用的表面处理方法

步骤二、将按照一定质量配比的PK树脂、红磷母粒放入鼓风干燥箱中，在120℃条件下，鼓风干燥12h；

步骤三、将步骤一烘干好的原料、按质量配比的抗氧剂、石墨烯微晶片、阻燃剂、润滑剂加入混料机中混合5-10min，转速为300r/min，得预混物；

步骤四、将预混物通过主喂料加入双螺杆挤出机中，玻璃纤维通过侧喂料口加入双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融造粒挤出，所述双螺杆挤出机长径比为40：1，含真空排气装置；

步骤五、采用水冷拉条切粒方法，再经过晒分脱水制得阻燃增强导热聚酮复合材料。

具体地，双螺杆主机转速为400r/min，双螺杆挤出机中从进料段到机头的各反应段温度分别为250℃、260℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、275℃、280℃，模头温度为280℃。

将实施例1-3和对比例1-3制备的阻燃增强导热聚酮复合材料270℃-300℃注塑成型温度下注塑得到测试样条，测试样条的相关性能测试和测试方法详见表3和表4。

表3：实施例1-3的测试数据

表4：对比例1-3的测试数据

上述实验表明，石墨烯微晶片可以与红磷母粒协同阻燃，降低红磷母粒的使用量，单纯不添加红磷母粒，材料因为金属纤维的存在无法封闭碳层，试条燃烧至夹具。对比例1在不加石墨烯微晶片添加8％的红磷母粒，阻燃等级仅到V-2级别，而实施例1在对比例1的基础上添加5％的石墨烯微晶片，阻燃等级达到V-0；对比例3未添加阻燃剂，在金属纤维存在的情况下，不阻燃；金属纤维的加入可以提高材料的冲击强度，且在达到相同导热系数的情况下，降低石墨烯的使用量。对比例2未添加金属纤维，缺口冲击强度为2.9kj/m²，实施例2添加30％的金属纤维，冲击强度达成5.5kj/m²，对比例2单独添加10％的石墨烯微晶片，导热系数1.6w/(m.k)，实施例1仅添加5％的石墨烯微晶片与30％的金属纤维搭配使用，导热系数可达3.2w/(m.k)，导热系数明显提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于，按照重量配比的组分包括：

2.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于，所述聚酮树脂选用熔融指数为60-250g/10min其中熔融指数的测试条件为240℃/5kg。

3.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于：所述石墨烯微晶片选用片层直径7-10μm，厚度小于100nm。

4.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于：所述金属纤维选用铝纤维、铜纤维、不锈钢纤维中的一种或几种组合，直径为6-12μm，短切长度为1-3mm。

5.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于：所述抗氧剂选用β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂627AV)，按质量份1：1复配。

6.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于：所述阻燃剂选用红磷含量40％，使用PBT为载体。

7.根据权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料，其特征在于：所述润滑剂选用季戊四醇硬脂酸酯PETS。

8.一种如权利要求1所述的阻燃增强导热聚酮复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将金属纤维浸入含2％硅烷偶联剂KH560的水溶液中，浸泡30min，然后放入鼓风干燥箱中干燥3h，备用；

步骤二、将按照一定质量配比的聚酮树脂和阻燃剂放入鼓风干燥箱中，在120℃条件下，鼓风干燥12h；

步骤三、将步骤一烘干好的原料、按质量配比的抗氧剂、石墨烯微晶片、阻燃剂、润滑剂加入混料机中混合5-10min，得预混物；

步骤四、将预混物通过主喂料加入双螺杆挤出机中，金属纤维通过侧喂料口加入双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融造粒挤出，所述双螺杆挤出机长径比为40：1，含真空排气装置；

步骤五、采用水冷拉条切粒方法，再经过晒分脱水制得阻燃增强导热聚酮复合材料。

9.根据权利要求8所述的阻燃增强导热聚酮复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将金属纤维浸入含2％硅烷偶联剂KH560的水溶液中，浸泡30min，然后放入鼓风干燥箱中干燥3h，备用；

步骤二、将按照一定质量配比的PK树脂和红磷母粒放入鼓风干燥箱中，在120℃条件下，鼓风干燥12h；

步骤三、将步骤一烘干好的原料、按质量配比的抗氧剂、石墨烯微晶片、阻燃剂、润滑剂加入混料机中混合5-10min，得预混物；

步骤四、将预混物通过主喂料加入双螺杆挤出机中，金属纤维通过侧喂料口加入双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融造粒挤出，所述双螺杆挤出机长径比为40：1，含真空排气装置；

步骤五、采用水冷拉条切粒方法，再经过晒分脱水制得阻燃增强导热聚酮复合材料。