CN110105760A - 一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料薄片及其制备方法 - Google Patents

一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料薄片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高垂直导热率的聚苯硫醚复合材料薄片及其制备方法，该聚苯硫醚材料为聚苯硫醚及碳系填料的共混物。碳系填料至少包含二维碳系结构和零维碳系结构。其制备方法是将干燥后的聚苯硫醚和碳系填料加入熔融混炼设备290～310℃下进行熔融混炼，得到复合物；将复合物从熔融混炼设备中出料，降至常温，得到聚苯硫醚复合材料；再将复合材料通过平板硫化机压成100～500μm厚的薄片。本发明中聚苯硫醚复合材料薄片的垂直方向具有优异的导热性能，这是由于二维和零维填料的加入可降低填料堆砌的平面取向度，形成较为完善的多维填料网络，且其制备方法仅需使用常用的熔融混炼设备，工业制备简单。

Description

一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料薄片及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，尤其涉及通过多种填料杂化来获得高导热性能聚苯硫醚复合材料及其制备方法。
背景技术
塑料换热器，由于其具有价廉、质轻以及耐腐蚀等特点近年来已成为研究热点，现已被大量用于替代传统的金属换热器。聚苯硫醚是一种特种工程塑料，具有优良的耐热性、耐化学腐蚀性以及较好的加工性能，被广泛应用于电子、机械、化学工程及汽车制造等领域，是一种理想的塑料换热器基体材料。碳系填料通常被用作导热填料，因其可通过内部的电子以及声子进行双重热量传递，且其不对称的结构较易在聚合物基体中形成网络结构。另外，碳系填料的不同粒径、平面取向度会对复合材料的性能造成较大影响，特别是填料的平面取向度对复合材料的导热性能影响较大。单一维度的填料往往会在加工过程中形成单一的平面取向，从而增大材料导热的各向异性。如二维鳞片石墨，其片状结构可使其与聚合物基体有较大的接触面积，因此能够作为填料发挥较好的导热性能。但是，由于石墨片层间较强的范德华力以及π-π相互作用，使石墨片层易于团聚与堆叠，并使其平面取向度提高，反而降低了材料导热性能的各向同性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种聚苯硫醚复合材料薄片，该聚苯硫醚复合材料薄片具有优异的垂直导热率。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料薄片，为聚苯硫醚和多种碳系填料杂化的共混物，其中碳系填料占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为20％～70％。
所述的碳系填料至少包含二维碳系结构和零维碳系结构，选自片状石墨、球状石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯。
本发明材料还可以包括添加剂，添加剂与聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量比为0.01％～3％：100％。
作为上述方案的优选，所述的聚苯硫醚熔融指数为800～1200g/10min。
作为上述方案的优选，所述的碳系填料为片状石墨和球状石墨，更为优选聚苯硫醚占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为50％，球状石墨占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为2.5～5％。
作为上述方案的优选，所述的片状石墨的目数为500～800目。
作为上述方案的优选，所述的球状石墨的平均粒径为8～15μm。
作为上述方案的优选，作为上述方案的优选，所述的添加剂包括润滑剂、增溶剂、稳定剂的一种或多种。
作为上述方案的优选，所述的润滑剂为硅酮类润滑剂。
上述高导热聚苯硫醚复合材料的制备方法包括以下步骤；
步骤(1)：将聚苯硫醚和碳系填料分别在80～120℃下真空干燥24～48h；
步骤(2)：将干燥后的聚苯硫醚和碳系填料按一定的质量比，加入熔融混炼设备290～320℃下进行熔融混炼，得到共混物；
步骤(3)：将混合物从熔融混炼设备中出料，降至常温，得到聚苯硫醚复合材料。
步骤(4)：将复合材料进行压片，压片条件为：压力5～30MPa，温度290～310℃，保压1～7分钟；之后冷压，条件为：压力5～30MPa，常温，保压1～4分钟，得到厚度为100～500μm的薄片。
作为上述方案的优选，所述的步骤(2)熔融混炼设备为密炼机，预混时密炼机的转子速度为10～30rpm，熔融混炼时间1～2min，然后将转子速度提升至45～75rpm，熔融混炼5～10min。
本发明的有益效果在于：
1、本发明为在聚苯硫醚中加入至少包含二维度和零维度的碳系填料，通过熔融共混及压片获得具有优异垂直导热率的聚苯硫醚薄片。至少包含二维度和零维度填料的杂化填充可降低填料堆砌的平面取向度，形成较为完善的多维填料网络。
2、本发明优选采用片状石墨和球状石墨的组合作为碳系填料，在达到优异的垂直导热率时，同时生产成本较低，适用于工业化推广。
3、本发明采用硅酮粉作为润滑剂，该类润滑剂具有较好的热稳定性以及耐迁移性，只需少量添加就可显著改善树脂的流动性以及降低产品表面的摩擦系数。
4、本发明仅需使用常用的熔融混炼设备，工业制备简单。
5、本发明高垂直导热率聚苯硫醚复合材料可熔融加工制备成管、片、线等各种塑料制品，用于换热需求的各种工业、民用场合。
附图说明
图1为对比例1和实施例3所制得复合材料薄片的淬断断面形貌。
图2为对比例1和实施例1～5所制得复合材料的表面电阻率。
图3为对比例1和实施例1～5所制得复合材料的密度曲线。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
以下实施例采用的聚苯硫醚熔融指数为800～1200g/10min。片状石墨的目数为500～800目。球状石墨的平均粒径为8～15μm。
对比例1
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、50g的片状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
实施例1
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、47.5g的片状石墨、2.5g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力25MPa，温度300℃，保压3分钟；之后压力25MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
实施例2
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、45g的片状石墨、5g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力25MPa，温度300℃，保压3分钟；之后压力25MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
实施例3
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、40g的片状石墨、10g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力25MPa，温度300℃，保压3分钟；之后压力25MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
实施例4
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、35g的片状石墨、15g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力25MPa，温度300℃，保压3分钟；之后压力25MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
实施例5
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、30g的片状石墨、20g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力25MPa，温度300℃，保压3分钟；之后压力25MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
样品的测试结果见表1。
图1为对比例1与实施例3的薄片淬断断面形貌。如图可知，球状石墨的加入前后，复合材料的断面形貌发生较大改变。未加球状石墨时，视野中石墨片状结构较为明显，此时鳞片石墨的平面取向度较高；球状石墨加入后，视野中石墨片状结构变得模糊，此时石墨的平面取向度降低。
图2为对比例1与实施例1～5的表面电阻测试。如图所示，随着球状石墨占比上升，复合材料表面电阻率的波动较为明显。当复合材料中球状石墨含量低于5％时，随着球状石墨含量的上升，复合材料的表面电阻率呈下降趋势，说明球状石墨的加入使石墨导电网络更加完善；当球状石墨含量介于5％至15％之间时，随着球状石墨含量的上升，复合材料的表面电阻率呈上升趋势，原因可能是过多的球状石墨反而破坏了原本片状石墨所堆砌成的导电网络；当球状石墨含量高于15％后，复合材料的表面电阻率又下降了，这可能是由于高含量的球状石墨自身构成了导电网络。
图3为对比例1与实施例1～5的薄片密度测试。由图可知，复合材料密度随球状石墨含量变化的趋势与复合材料表面电阻率的变化趋势较为接近。由此推论，少量球状石墨(小于5％)的加入可使复合材料中填料堆砌得更为松散，降低了片状石墨的平面取向度，使体系导电网路更为完善。
表1.对比例1与实施例1～5的垂直导热测试
如表1所示，当复合材料中球状石墨含量低于5％时，随球状石墨含量的上升，体系的垂直导热率从3.43W/mk(0％时)增加到5.08W/mk(5％时)；当复合材料中球状石墨含量介于5％至15％时，体系的垂直导热率有所下降；而当复合材料中球状石墨含量高于15％时，体系的垂直导热率有所上升。该趋势与体系的表面电阻率及密度相对应，可知，当体系中球状石墨含量为5％时，体系中石墨片层的平面取向度较低，此时形成的垂直导热网络较为完善。
实施例6
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、石墨烯在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将30g的聚苯硫醚、60g的片状石墨、10g的石墨烯及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力5MPa，温度290℃，保压7分钟；压力5MPa，常温，保压4分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例7
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、碳纤维在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将30g的聚苯硫醚、50g的片状石墨、20g的碳纤维及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力30MPa，温度310℃，保压1分钟；压力30MPa，常温，保压1分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例8
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、炭黑颗粒在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将30g的聚苯硫醚、65g的片状石墨、5g的炭黑颗粒及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力20MPa，温度300℃，保压4分钟；压力20MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例9
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、石墨烯在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将40g的聚苯硫醚、50g的片状石墨、10g的石墨烯及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力20MPa，温度300℃，保压4分钟；压力20MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例13
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥48h：
步骤(2)：将40g的聚苯硫醚、40g的片状石墨、20g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为10rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至45rpm，熔融混炼10min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力20MPa，温度300℃，保压4分钟；压力20MPa，常温，保压2分钟，制备成100μm厚度的薄片。
实施例14
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在120℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将60g的聚苯硫醚、30g的片状石墨、10g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机290℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为30rpm，熔融混炼1min，然后将转子速度提升至75rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力20MPa，温度300℃，保压4分钟；压力20MPa，常温，保压2分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例15
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将30g的聚苯硫醚、60g的片状石墨、10g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机310℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至57rpm，熔融混炼4min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力30MPa，温度310℃，保压1分钟；压力30MPa，常温，保压1分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例16
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、40g的片状石墨、10g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力30MPa，温度310℃，保压1分钟；压力30MPa，常温，保压1分钟，制备成600μm厚度的薄片。
实施例17
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将50g的聚苯硫醚、40g的片状石墨、10g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机290℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至60rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力30MPa，温度310℃，保压1分钟；压力30MPa，常温，保压1分钟，制备成500μm厚度的薄片。
实施例18
步骤(1)：将聚苯硫醚及片状石墨、球状石墨在80℃下真空干燥24h：
步骤(2)：将70g的聚苯硫醚、25g的片状石墨、5g的球状石墨及1g的硅酮粉加入密炼机300℃下进行熔融混炼，预混时密炼机的转子速度为20rpm，熔融混炼2min，然后将转子速度提升至50rpm，熔融混炼5min，获得共混物。
步骤(3)将所得共混物进行熔融压片，压力30MPa，温度310℃，保压1分钟；压力30MPa，常温，保压1分钟，制备成500μm厚度的薄片。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于为聚苯硫醚和多种碳系填料杂化的共混物，碳系填料至少包含二维碳系结构和零维碳系结构；其中碳系填料占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为20％～70％。
2.如权利要求1所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的碳系填料选自片状石墨、球状石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯。
3.如权利要求1所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的聚苯硫醚熔融指数为800～1200g/10min。
4.如权利要求1或2所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的碳系填料为片状石墨和球状石墨。
5.如权利要求2或4所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于聚苯硫醚占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为50％，球状石墨占聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量含量为2.5～5％。
6.如权利要求2或4所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的片状石墨的目数为500～800目。
7.如权利要求2或4或5所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的球状石墨的平均粒径为8～15μm。
8.如权利要求1-7任一所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于还可以包括添加剂，添加剂与聚苯硫醚和多种碳系填料总量的质量比为0.01％～3％：100％；添加剂包括润滑剂、增容剂、稳定剂的一种或多种。
9.如权利要求8所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料，其特征在于所述的润滑剂为硅酮类润滑剂。
10.如权利要求1-7任一所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤；
步骤(1)：将聚苯硫醚和碳系填料分别在80～120℃下真空干燥24～48h；
步骤(2)：将干燥后的聚苯硫醚和碳系填料按一定的质量比，加入熔融混炼设备290～320℃下进行熔融混炼，得到共混物；
步骤(3)：将混合物从熔融混炼设备中出料，降至常温，得到聚苯硫醚复合材料；
步骤(4)：将复合材料进行压片，压片条件为：压力5～30MPa，温度290～310℃，保压1～7分钟；之后冷压，条件为：压力5～30MPa，常温，保压1～4分钟，得到厚度为100～500μm的薄片。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于所述的步骤(2)熔融混炼设备为密炼机，预混时密炼机的转子速度为10～30rpm，熔融混炼时间1～2min，然后将转子速度提升至45～75rpm，熔融混炼5～10min。
12.如权利要求1-9任一所述的一种高垂直导热率聚苯硫醚复合材料可熔融加工制备成各种塑料制品，用于换热需求的各种工业、民用场合。
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