CN110003521B - 导热填料、导热复合材料和散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了导热填料、导热复合材料和散热器,所述导热填料,包括:鳞片石墨和石墨烯,其中,所述石墨烯的片径为0.1~30微米,所述鳞片石墨的片径为200~500微米。由此,该导热填料通过采用鳞片石墨和石墨烯,石墨烯可以填充在鳞片石墨之间,小尺寸的石墨烯和大尺寸的鳞片石墨可以协同构造出三维导热通道,从而将其应用到复合材料中可以提高复合材料的导热性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明是属于复合材料技术领域,具体而言,本发明涉及导热填料、导热复合材料和散热器。
背景技术
随着电子器件的微型化和高功率化的发展,器件内部的温度显著升高,热管理成为决定其寿命及功率的关键因素。目前,在导热散热工业中传统的是使用金属材料或者合金作为导热材料。由于金属导热制品比重大、机械加工成本高、易于腐蚀、易导电等特点,限制了其在导热领域的进一步发展。而聚合物因其良好的加工性能、较低的密度、较好的化学稳定性以及绝缘性等在导热领域受到广泛的关注。
热塑性塑料如聚丙烯、聚乙烯、尼龙等因其化学性质稳定、机械加工性能良好以及可以多次加热循环重复使用等特点被广泛应用。普通聚合物的热导率低于0.3W/mK,使其在使用过程中热量不能及时耗散、零部件发热现象严重、导致部件老化等问题,严重影响器件的使用寿命和稳定性,进而影响产品的使用性能。
向聚合物基体中添加高导热填料是提高复合材料导热性能的一个主要方法。石墨烯自从被发现以来由于其具有诸多优异性能(如优异的导电性能、力学性能等)而受到广泛关注,其超高的热导率(~5000W/mK)使得石墨烯在热管理领域具有巨大的应用前景。但目前可大规模量产的石墨烯原料都是粉体状态,石墨烯的片径一般在30微米以下。片径过于细小,作为导热填料单独使用也难以实现大量添加,因此单独使用石墨烯作为填料并不利于导热网络的构建和热导的提高。鳞片石墨由于尺寸较大,导热系数较高,价格便宜,且分散在基体中不存在团聚现象,填充量可以大大提高,在提高热导率方面有着明显的优势。但是,鳞片石墨的加入,使得复合材料变得又硬又脆,力学性能下降,这也限制了鳞片石墨填充聚合物复合材料的应用。
因此,现有的导热填料有待进一步研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提出一种导热填料、导热复合材料和散热器,该导热填料通过采用鳞片石墨和石墨烯,石墨烯可以填充在鳞片石墨之间,小尺寸的石墨烯和大尺寸的鳞片石墨可以协同构造出三维导热通道,从而将其应用到复合材料中可以提高复合材料的导热性能和力学性能。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种导热填料。根据本发明的实施例,所述导热填料包括;鳞片石墨和石墨烯,其中,所述石墨烯的片径为0.1~30微米,所述鳞片石墨的片径为200~500微米。
根据本发明实施例的导热填料通过采用鳞片石墨和石墨烯,石墨烯可以填充在鳞片石墨之间,小尺寸的石墨烯和大尺寸的鳞片石墨可以协同构造出三维导热通道,从而将其应用到复合材料中可以提高复合材料的导热性能和力学性能。
另外,根据本发明上述实施例的导热填料还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述鳞片石墨和所述石墨烯的质量比为(10~20):1。由此,可以进一步提高复合材料的导热性能和力学性能。
在本发明再一个方面,本发明提出了一种导热复合材料。其特征在于,包括:聚合物基体、填料和添加剂,所述填料为上述所述的导热填料。由此,该导热复合材料通过采用上述的导热填料,使其具有优异的导热性能和力学性能,并且本申请的复合材料相较于金属部件具有明显低比重优势。
另外,根据本发明上述实施例的导热复合材料还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述聚合物基体为选自聚烯烃、聚氯乙烯、聚酯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一种。由此,可以显著提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述填料的加入量为所述复合材料的1~50wt%。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述添加剂为选自增塑剂、改性剂、稳定剂、阻燃剂和抗静电剂中的至少一种。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,基于100g所述聚合物基体,所述增塑剂的加入量为0.1~0.2g,所述改性剂的加入量为0.2~0.3g,所述稳定剂的加入量为0.2~0.3g,所述阻燃剂的加入量为0.1~0.3g,所述抗静电剂的加入量为0.1~0.2g。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述增塑剂为选自邻苯二甲酸酯类增塑剂、对苯二甲酸酯类增塑剂、苯多酸酯类增塑剂、苯甲酸酯类增塑剂、多元醇酯类增塑剂、氯化烃类增塑剂、环氧类增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂和聚酯类增塑剂中至少一种。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述改性剂为选自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯嵌段共聚物和聚烯烃中的至少一种。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述稳定剂为选自环氧乙烷、碱式碳酸铅和硬酯酸盐中的至少一种。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述阻燃剂为选自氢氧化镁、氢氧化铝、红磷母粒、三聚氰胺氰尿酸络合盐和氯化聚乙烯。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的一些实施例中,所述抗静电剂为选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体和聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯、环氧丙烷共聚合物中的至少一种。由此,可以进一步提高导热复合材料的性能。
在本发明的又一个方面,本发明提出了一种散热器。根据本发明的实施例,所述散热器是上述所述的导热复合材料制备得到的。由此,该散热器具有优异的散热性能和力学性能,并且相较于金属制件的散热器,本申请的散热器具有较低的比重。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是石墨烯和鳞片石墨分散的导热网络示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种导热填料。根据本发明的实施例,该导热填料包括:鳞片石墨和石墨烯,其中,所述石墨烯的片径为0.1~30微米,所述鳞片石墨的片径为200~500微米。发明人发现,通过采用鳞片石墨和石墨烯混合作为导热填料,石墨烯可以填充在鳞片石墨之间(如图1),小尺寸的石墨烯和大尺寸的鳞片石墨协同可以构造出三维导热通道,并且采用本申请片径的鳞片石墨和石墨烯协同作用,可以保证所得三维导热通道结构规整,从而将其应用于复合材料中可以提高复合材料的导热性能和力学性能。
根据本发明的一个实施例,上述导热填料中,鳞片石墨和石墨烯的质量比可以为(10~20):1。发明人发现,采用该混合比例所得三维导热通道尤其规整,从而使得所得复合材料导热性能和力学性能最优。
在本发明的第二个方面,本发明提出了一种导热复合材料。根据本发明的实施例,所述导热复合材料包括:聚合物基体、填料和添加剂,所述填料为上述所述的导热填料。由此,该导热复合材料通过采用上述的导热填料,使其具有优异的导热性能和力学性能,并且本申请的复合材料相较于金属部件具有明显低比重优势。
根据本发明的一个实施例,上述复合导热材料中,填料的加入量为复合材料的1~50wt%。发明人发现,采用该混合比例可以保证鳞片石墨和石墨烯均匀分散在聚合物基体中,从而使得所得复合材料即具有优异的导热性能,又能保证其具有优异的力学性能,并且不会影响复合材料的化学稳定性和机械加工性能。
根据本发明的再一个实施例,上述复合导热材料中,聚合物基体可以为热塑性聚合物,优选自聚烯烃、聚氯乙烯、聚酯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一种。发明人发现,通过采用该类型的聚合物基体搭配上述片径的和配比的石墨烯和鳞片石墨,所得复合材料的导热性能和力学性能最佳,并且具有良好的可成型性,同时采用其制备得到的散热器具有优异的散热性能,从而可以保证其具有较长的使用寿命。
根据本发明的再一个实施例,上述复合导热材料中的添加剂可以为选自增塑剂、改性剂、稳定剂、阻燃剂和抗静电剂中的至少一种,并且基于100g聚合物基体,增塑剂的加入量为0.1~0.2g,改性剂的加入量为0.2~0.3g,稳定剂的加入量为0.2~0.3g,阻燃剂的加入量为0.1~0.3g,抗静电剂的加入量为0.1~0.2g。发明人发现,通过采用本申请组成的添加剂可以显著提高导热复合材料的性能。
根据本发明的一个具体实施例,上述采用的增塑剂可以为选自邻苯二甲酸酯类增塑剂、对苯二甲酸酯类增塑剂、苯多酸酯类增塑剂、苯甲酸酯类增塑剂、多元醇酯类增塑剂、氯化烃类增塑剂、环氧类增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂和聚酯类增塑剂中至少一种。发明人发现,通过加入该类增塑剂可以显著提高导热复合材料的加工性能。
根据本发明的再一个具体实施例,上述采用的改性剂可以为选自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯嵌段共聚物和聚烯烃中的至少一种。发明人发现,通过加入该类改性剂,可以进一步提高导热复合材料的性能。
根据本发明的又一个具体实施例,上述采用的稳定剂可以为选自环氧乙烷、碱式碳酸铅和硬酯酸盐中的至少一种。发明人发现,通过加入该类稳定剂可以显著提高导热复合材料的稳定性能。
根据本发明的又一个具体实施例,上述采用的阻燃剂可以为选自氢氧化镁、氢氧化铝、红磷母粒、三聚氰胺氰尿酸络合盐和氯化聚乙烯。发明人发现,通过加入该类助燃剂可以显著提高该导热复合材料的助燃性能。
根据本发明的又一个具体实施例,上述采用的抗静电剂可以为选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体和聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯、环氧丙烷共聚合物中的至少一种。发明人发现,通过采用该类抗静电剂可以显著提高该导热复合材料的抗静电性能。
根据本发明实施例的导热复合材料通过采用上述的导热填料,使其具有优异的导热性能和力学性能,并且本申请的复合材料相较于金属部件具有明显低比重优势。需要说明的是,上述针对导热填料所描述的特征和优点同样适用于该导热复合材料,此处不再赘述。
在本发明的又一个方面,本发明提出了一种散热器。根据本发明的实施例,所述散热器是上述所述的导热复合材料制备得到的。由此,该散热器具有优异的散热性能和力学性能,并且相较于金属制件的散热器,本申请的散热器具有较低的比重。需要说明的是,上述针对导热复合材料所描述的特征和优点同样适用于该散热器,此处不再赘述。
下面参考具体实施例,对本发明进行描述,需要说明的是,这些实施例仅仅是描述性的,而不以任何方式限制本发明。
实施例1
将2g鳞片石墨(片径300微米)、0.1g石墨烯(片径20微米)、0.02g邻苯二甲酸酯类增塑剂、0.02g苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、0.01g环氧乙烷,0.02g氢氧化镁和0.01g聚氧化乙烯在50ml乙醇中超声混合30min,得到导热填料分散液;将7.9g聚丙烯(PP)粉在50ml无水乙醇中超声30min,得到聚丙烯分散液,然后将导热填料分散液和聚丙烯分散液混合,在磁力搅拌器中搅拌4h,使其充分混合均匀,然后放入烘箱中,80℃保持3h,得到PP/石墨烯纳米片/鳞片石墨干燥物料,接着将干燥物料在双螺杆挤出机中循环4min使填料充分分散在聚合物基体中,挤出机上下板设定温度为190℃,然后将熔融状态下的共混料挤入挤出机料桶,然后将其在注塑机上注塑成型,注塑机料筒温度设定为190℃,磨具温度为30℃,注射压力800MPa,保压时间为10s。导热填料填充量为21wt%,测得复合材料的导热系数为1.24W/mK(采用瞬态激光法测试),拉伸强度为32MPa。
实施例2
将2g鳞片石墨(片径300微米)、0.2g石墨烯(片径20微米)、0.015g对苯二甲酸酯类增塑剂、0.022g苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯嵌段共聚物、0.02g碱式碳酸铅、0.018g三聚氰胺氰尿酸络合盐和0.015g聚醚酯乙酰胺在50ml乙醇中超声混合30min,得到导热填料分散液在50ml乙醇中超声混合30min,得到导热填料分散液;将7.8g聚丙烯(PP)粉在50ml无水乙醇中超声30min,得到聚丙烯分散液,然后将导热填料分散液和聚丙烯分散液混合,在磁力搅拌器中搅拌4h,使其充分混合均匀,然后放入烘箱中,80℃保持3h,得到PP/石墨烯纳米片/鳞片石墨干燥物料,接着将干燥物料在双螺杆挤出机中循环4min使填料充分分散在聚合物基体中,挤出机上下板设定温度为195℃,然后将熔融状态下的共混料挤入挤出机料桶,然后将其在注塑机上注塑成型,注塑机料筒温度设定为195℃,磨具温度为30℃,注射压力800MPa,保压时间为10s。导热填料填充量为22wt%,测得复合材料的导热系数为1.43W/mK(采用瞬态激光法测试),拉伸强度为31.9MPa。
实施例3
将2.5g鳞片石墨(片径300微米)、0.2g石墨烯(片径20微米)、0.01g环氧类增塑剂、0.02g苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、0.02g硬酯酸盐、0.021g氯化聚乙烯和0.01g聚醚酯酰胺在50ml乙醇中超声混合30min,得到导热填料分散液;将7.5g聚丙烯(PP)粉在50ml无水乙醇中超声30min,得到聚丙烯分散液,然后将导热填料分散液和聚丙烯分散液混合,在磁力搅拌器中搅拌4h,使其充分混合均匀,然后放入烘箱中,80℃保持3h,得到PP/石墨烯纳米片/鳞片石墨干燥物料,接着将干燥物料在双螺杆挤出机中循环4min使填料充分分散在聚合物基体中,挤出机上下板设定温度为200℃,然后将熔融状态下的共混料挤入挤出机料桶,然后将其在注塑机上注塑成型,注塑机料筒温度设定为200℃,磨具温度为30℃,注射压力800MPa,保压时间为10s。导热填料填充量为22wt%,测得复合材料的导热系数为1.78W/mK(采用瞬态激光法测试),拉伸强度为32.1MPa。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (12)
1.一种导热填料,其特征在于,包括:鳞片石墨和石墨烯,其中,所述石墨烯的片径为20微米,所述鳞片石墨的片径为300微米,所述鳞片石墨和所述石墨烯的质量比为(10~20):1。
2.一种导热复合材料,其特征在于,包括:聚合物基体、填料和添加剂,所述填料为权利要求1所述的导热填料。
3.根据权利要求2所述的导热复合材料,其特征在于,所述聚合物基体为选自聚烯烃、聚氯乙烯、聚酯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的导热复合材料,其特征在于,所述填料的加入量为所述复合材料的1~50wt%。
5.根据权利要求2所述的导热复合材料,其特征在于,所述添加剂为选自增塑剂、改性剂、稳定剂、阻燃剂和抗静电剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的导热复合材料,其特征在于,基于100g所述聚合物基体,所述增塑剂的加入量为0.1~0.2g,所述改性剂的加入量为0.2~0.3g,所述稳定剂的加入量为0.2~0.3g,所述阻燃剂的加入量为0.1~0.3g,所述抗静电剂的加入量为0.1~0.2g。
7.根据权利要求5或6所述的导热复合材料,其特征在于,所述增塑剂为选自邻苯二甲酸酯类增塑剂、对苯二甲酸酯类增塑剂、苯多酸酯类增塑剂、苯甲酸酯类增塑剂、多元醇酯类增塑剂、氯化烃类增塑剂、环氧类增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂和聚酯类增塑剂中至少一种。
8.根据权利要求5或6所述的导热复合材料,其特征在于,所述改性剂为选自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯嵌段共聚物和聚烯烃中的至少一种。
9.根据权利要求5或6所述的导热复合材料,其特征在于,所述稳定剂为选自环氧乙烷、碱式碳酸铅和硬酯酸盐中的至少一种。
10.根据权利要求5或6所述的导热复合材料,其特征在于,所述阻燃剂为选自氢氧化镁、氢氧化铝、红磷母粒、三聚氰胺氰尿酸络合盐和氯化聚乙烯。
11.根据权利要求5或6所述的复合材料,其特征在于,所述抗静电剂为选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体和聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯、环氧丙烷共聚合物中的至少一种。
12.一种散热器,其特征在于,所述散热器是采用权利要求2~11中任一项所述的导热复合材料制备得到的。
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