CN110128743A - 一种pp/hdpe/poe复合导热高分子材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种pp/hdpe/poe复合导热高分子材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料及其制备方法和应用，所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料包括以下重量百分比的组分：PP 30‑60％、HDPE 5‑15％、POE 5‑15％、碳纤维10‑20％、石墨10‑20％和助剂3‑8％，采用同向非对称性挤压和混合上述组分，制备力学性能、流动性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，可以应用于照明灯罩、散热器件、家电外壳和按摩泵壳体中。

Description

一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于导热高分子材料领域，具体涉及一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料及其制备方法和应用。
背景技术
对于热传导领域使用的材料，除了要求其具有良好的热传导性能，对材料的力学性能、电性能、热稳定性甚至加工性能都有一定要求。高分子材料拥有良好的综合性能，具有易改性、可塑性强和良好的加工性能等优点，应用领域广阔，然而高分子材料通常是热的不良导体，在室温下的热导率较小，难以满足应用要求。
导热高分子材料分为本征型和填充型，其中，填充型导热高分子材料采用导热填料填充改性的方法制备复合高分子材料，导热填料的加入提高了基体高分子材料的导热性能，具有制备成本低、技术难度小、制备工艺简单、易于实现大规模工业化生产等优点。常用于制备填充型导热高分子材料的导热填料大致有金属类填料、陶瓷类填料和炭类填料，炭类填料的热导率跨度较大，像石墨烯、碳纳米管之类的填料，热导率很高，但价格偏高，应用有限；像石墨、炭粉之类的填料，成本较低，但热导率与一般金属材料差不多。采用多元导热填料制备导热高分子材料时，可采用不同粒径、不同形状、甚至不同种类的导热粒径进行混合填充，优化配方和工艺，使混杂填料发生协同效应，产生1+1>2的效果。
聚丙烯(PP)具有质轻、易加工、耐腐蚀、力学均衡性好、价格低廉等优点，但是其抗冲击性能较低，使用范围受到限制。而且其导热性能差，其热导率只有0.21W/(m·K)，在散热器件、电子电器等领域的应用受到严重制约。
因此，有必要研究一种力学性能、热性能和导热性能等更加优异的多元填料混杂填充型复合导热高分子材料及其制备方法，以改进聚丙烯的性能，扩展其应用范围。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，通过在PP/HDPE/POE高分子材料基体中填充改性碳纤维和鳞片石墨，使其具有优异的力学性能、流动性能、热性能和导热性能。本发明还提供了所述PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，采用同向非对称双螺杆挤出机进行同向非对称性挤压和混合，制备力学性能、流动性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，所述制备方法简单高效，易于实现工业化。本发明还提供了所述PP/HDPE/POE复合导热高分子材料在照明灯罩、散热器件、家电外壳和按摩泵壳体中的应用。
本发明采用的技术方案是：一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
优选的，一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
优选的，助剂为抗氧剂和液体石蜡中的一种或两种。更优选的，助剂为抗氧剂和液体石蜡。
优选的，PP、HDPE和POE的重量比为60-70:15-20:12-18。更优选的，PP、HDPE和POE的重量比为68:17:15。
聚丙烯(PP)具有质轻、易加工、耐腐蚀、力学均衡性好、价格低廉等优点，但是其抗冲击性能较低，使用范围受到限制。聚乙烯辛烯共弹性体(POE)具有良好的韧性和加工性能，可以改善PP韧性差的缺点。以POE为主增韧剂，并配以高密度聚乙烯(HDPE)为辅助增韧剂，可以细化PP基体中的分散相颗粒，对复合材料有较好的辅助增韧作用。HDPE与PP的相容性有限，而POE与PP则有良好的相容性，HDPE和POE添加到PP中产生良好的协同增韧效应，复合材料能够更快产生脆韧转变，冲击强度提高，其综合性能较单一增韧时有较大的提升，而HDPE的添加还可降低增韧复合材料的成本，使PP/HDPE/POE复合导热高分子材料具有最佳的综合力学性能。将PP/HDPE/POE复合材料作为制备导热高分子材料的基体，在一定程度上也弥补了填充型导热高分子材料由于添加导热填料而造成的复合材料力学性能损失。
聚丙烯导热性能差，其热导率只有0.21W/(m·K)，在散热器件、电子电器等领域的应用受到严重制约。采用单一的填料填充，对于改善高分子材料的导热性能效果有限。而使用不同粒径、不同形状甚至不同种类的多元填料混杂填充，可以使其形成更大的堆砌度，产生更多的导热通路，不同导热填料之间产生互补效果与协同效应，导热性能、力学性能等均优于单一填料填充的导热高分子材料。
优选的，PP/HDPE/POE复合导热高分子材料中，碳纤维的重量百分比为12-18％，石墨的重量百分比为12-18％。
更优选的，PP/HDPE/POE复合导热高分子材料中，碳纤维的重量百分比为15％，石墨的重量百分比为15％。
采用碳纤维、鳞片石墨的重量百分比均为15％制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料综合性能最好。导热高分子材料的导热性能取决于导热填料，要使其形成导热通路，获得良好的导热性能，最直接的办法就是提高导热填料的填充量。导热填料太少，无法在高分子材料基体中形成导热通路，包覆在填料表面的高分子材料阻隔了热量传递，热导率不能有较大的提高；导热填料过多，填料不再被高分子基体材料包覆，有利于形成导热通路和导热网络，填料之间直接发生热量传递，可以提高复合材料的热导率，制备材料的导热性能更好，但是复合材料的力学性能、加工性能等会有较大损失，应用上受到限制。因此，在满足材料热导率要求的前提下，通过控制填料加入量可以提高其力学性能，同时表现出良好的协同作用，对导热高分子材料热导率的提高较为明显。
优选的，碳纤维的长度为50-150μm，石墨的粒径为7.5-150μm。更优选的，碳纤维的长度为90-110μm，石墨的粒径为20-40μm。最优选的，碳纤维的长度为100μm，石墨的粒径为30μm。
采用长度为100μm碳纤维与粒径为30μm鳞片石墨混杂填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在力学性能、流动性能、热性能和导热性能方面最好。由于两种导热填料的尺寸相当，不同导热填料之间产生更好的互补效果与协同效应，使得PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的力学性能、流动性能、热性能和导热性能比其它尺寸差别较大的碳纤维与鳞片石墨组合要好。
碳纤维与鳞片石墨混杂填充可以提高PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的导热性能，其热导率比单一碳纤维或鳞片石墨填充的复合材料有所提高，这说明两种导热填料的混杂可以提高导热高分子材料的导热性能，更好地实现填料颗粒的相互接触，形成较多的导热通路，促使其导热性能得到改善。采用单一填料填充对于改善高分子材料导热性能的效果有限，而使用不同种类的多元填料进行混杂填充，可以使其形成更大的堆砌度，产生导热通路，不同填料之间产生互补效果，使得除了导热性能外，导热高分子材料的综合力学性能等均优于单一填料填充的，体现了不同填料之间良好的协同效应。填料总量的重量百分比保持30％，采用重量百分比均为15％的100μm长度碳纤维与30μm粒径鳞片石墨进行混杂填充，碳纤维与鳞片石墨的混杂具有良好的协同增强作用。
优选的，碳纤维为经过表面处理改性的碳纤维，由以下方法制备得到：将偶联剂和无水乙醇的混合溶液喷洒在碳纤维的表面，干燥，得到经过表面处理改性的碳纤维。
更优选的，碳纤维为经过表面处理改性的碳纤维，由以下方法制备得到：先将偶联剂和无水乙醇混合3-5min，得到混合溶液；将碳纤维在100-130℃温度下干燥2-5h，然后将混合溶液喷洒在碳纤维的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于碳纤维中；将混合好的碳纤维在100-140℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的碳纤维。
最优选的，碳纤维为经过表面处理改性的碳纤维，由以下方法制备得到：先将偶联剂和无水乙醇混合5min，得到混合溶液；将碳纤维在120℃温度下干燥3h，然后将混合溶液喷洒在碳纤维的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于碳纤维中；将混合好的碳纤维在120℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的碳纤维。
优选的，偶联剂的重量为碳纤维的重量的1-5％，无水乙醇的重量为碳纤维的重量的15-25％。更优选的，偶联剂的重量为碳纤维的重量的2％，无水乙醇的重量为碳纤维的重量的20％。
优选的，偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550和KH-570中的一种或几种。
优选的，石墨为经过表面处理改性的鳞片石墨，由以下方法制备得到：将偶联剂和无水乙醇的混合溶液喷洒在鳞片石墨的表面，干燥，得到经过表面处理改性的鳞片石墨。
更优选的，石墨为经过表面处理改性的鳞片石墨，由以下方法制备得到：先将偶联剂和无水乙醇混合3-5min，得到混合溶液；将鳞片石墨在100-130℃温度下干燥2-5h，然后将混合溶液喷洒在鳞片石墨的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于鳞片石墨中；将混合好的鳞片石墨在100-140℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的鳞片石墨。
最优选的，石墨为经过表面处理改性的鳞片石墨，由以下方法制备得到：先将偶联剂和无水乙醇混合5min，得到混合溶液；将鳞片石墨在120℃温度下干燥3h，然后将混合溶液喷洒在鳞片石墨的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于鳞片石墨中；将混合好的鳞片石墨在120℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的鳞片石墨。
优选的，偶联剂的重量为鳞片石墨的重量的1-5％，无水乙醇的重量为鳞片石墨的重量的15-25％。更优选的，偶联剂的重量为鳞片石墨的重量的2％，无水乙醇的重量为鳞片石墨的重量的20％。
优选的，偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550和KH-570中的一种或两种。
优选的，经过表面处理改性的碳纤维的长度为50-150μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为7.5-150μm。更优选的，经过表面处理改性的碳纤维的长度为90-110μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为20-40μm。最优选的，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
导热填料碳纤维与鳞片石墨易团聚，且与高分子材料的相容性较差，两者表面张力差导致出现空隙，阻碍热量的传递效率，因此需要改善填料的表面性能，提高其与基体材料的界面相容性，改善填料粒子的分散、堆积方式。采用偶联剂对填料进行改性处理，比如硅烷偶联剂(KH-550、KH-570)等，偶联剂小分子化合物拥有多种官能团，可以与基体发生反应，偶联剂能在高分子材料与填料之间起到连接桥梁作用，改善两者的界面相容性，从而优化导热填料的分散和分布情况。
一种所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
将PP、碳纤维、石墨和助剂进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
将得到的PP混合粒料、HDPE和POE进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
更优选的，所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
1)先将PP在60-100℃温度下干燥2-5h，然后将干燥的PP、碳纤维、鳞片石墨和助剂简单混合3-5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
2)将步骤1)得到的PP混合粒料和HDPE在60-100℃温度下干燥2-5h，然后将干燥的PP混合粒料、干燥的HDPE和POE简单混合3-5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
最优选的，所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
1)先将PP在80℃温度下干燥2h，然后将干燥的PP、碳纤维、鳞片石墨和助剂简单混合5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
2)将步骤1)得到的PP混合粒料和HDPE在80℃温度下干燥3h，然后将干燥的PP混合粒料、干燥的HDPE和POE简单混合5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
优选的，制备过程中，采用同向非对称双螺杆挤出机进行同向非对称性挤压和混合，同向非对称双螺杆挤出机的两条螺杆具有非对称性，两条螺杆的截面由多段曲率半径不同的圆弧构成，且两条螺杆的截面构型不同。
其中，转速较慢的螺杆为第二螺杆，也叫主螺杆，转速较快的螺杆为第一螺杆，第一螺杆和第二螺杆的转速比为2:1。
同向非对称双螺杆挤出机的主螺杆转速为48r/min，挤出机各段温度的范围为140～205℃，挤出造粒的产量为4.2kg/h。
影响导热高分子材料导热性能的因素有很多，除了基体和填料本身的热导率外，还受到填料的形状、大小、添加量以及偶联剂等助剂的种类和添加量的影响。从微观的角度来看，填料的分散性、取向及界面相容性等因素对材料导热性能的影响很大，其中通过调整加工工艺及方法能较大地改善填料分布等微观特征，从而改善导热高分子材料的性能。然而传统同向双螺杆挤出机的两根螺杆结构完全相同，缺少流体加工空间几何形状的转换，所以双螺杆无法对物料进行挤压和混合，从而使导热高分子材料在流道时缺少压缩、挤压的作用，对物料进行加工时需要消耗大量能量，剪切过程中界面的再取向作用减弱，混合效果有限。
采用同向非对称双螺杆挤出机制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其综合力学性能、加工流动性能、热稳定性能和导热性能均比传统同向双螺杆挤出机制备的要好。这是因为同向非对称双螺杆挤出机的两条螺杆具有非对称性，第一螺杆和第二螺杆同向转动时流道的截面形状发生周期性变化，从而对流道中的物料进行压缩和挤压作用，使得物料的流动空间周期性压缩、扩张，产生混沌混合效果，使得导热高分子材料的混合性能得到改善，挤出机的传热传质效率和能量利用率提高。
所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料可应用于照明灯罩、散热器件、家电外壳和按摩泵壳体中。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.通过在PP中添加HDPE、POE、碳纤维和石墨混杂导热填料，产生良好的协同增韧效应与协同导热效应，使其拥有优异的力学性能、流动性能、热性能和导热性能，制得的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料可以应用于照明灯罩、散热器件、家电外壳、按摩泵壳体中。
2.采用具有同向非对称性挤压和混合功效的同向非对称双螺杆挤出机，制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的力学性能、流动性能、热性能、导热性能等更加优异，制备方法简单高效，易于实现工业化连续生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
经过表面处理改性的碳纤维，由以下方法制备得到：先将KH-550和无水乙醇混合5min，得到混合溶液；将碳纤维在120℃温度下干燥3h，然后将混合溶液喷洒在碳纤维的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于碳纤维中；将混合好的碳纤维在120℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的碳纤维。
其中，KH-550的重量为碳纤维的重量的2％，无水乙醇的重量为碳纤维的重量的20％。
经过表面处理改性的碳纤维的长度分别为150、100和50μm。
经过表面处理改性的鳞片石墨，由以下方法制备得到：先将KH-570和无水乙醇混合5min，得到混合溶液；将鳞片石墨在120℃温度下干燥3h，然后将混合溶液喷洒在鳞片石墨的表面，同时不断地进行机械混合，使混合溶液均匀分散于鳞片石墨中；将混合好的鳞片石墨在120℃温度下进行干燥，得到经过表面处理改性的鳞片石墨。
其中，KH-570的重量为鳞片石墨的重量的2％，无水乙醇的重量为鳞片石墨的重量的20％。
经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径分别为150、30和7.5μm。
实施例1
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
1)先将PP在80℃温度下干燥2h，然后将干燥的PP、经过表面处理改性的碳纤维、经过表面处理改性的鳞片石墨、抗氧剂和液体石蜡简单混合5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
2)将步骤1)得到的PP混合粒料和HDPE在80℃温度下干燥3h，然后将干燥的PP混合粒料、干燥的HDPE和POE简单混合5min，再进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
制备过程中，采用同向非对称双螺杆挤出机进行同向非对称性挤压和混合，同向非对称双螺杆挤出机的两条螺杆具有非对称性，两条螺杆的截面由多段曲率半径不同的圆弧构成，且两条螺杆的截面构型不同。
其中，转速较慢的螺杆为第二螺杆，也叫主螺杆，转速较快的螺杆为第一螺杆，第一螺杆和第二螺杆的转速比为2:1。
同向非对称双螺杆挤出机的主螺杆转速为48r/min，挤出机各段温度的范围为140～205℃，挤出造粒的产量为4.2kg/h。
实施例2
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
实施例3
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
实施例4
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
实施例5
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为150μm。
其制备方法同实施例1。
实施例6
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为7.5μm。
其制备方法同实施例1。
实施例7
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为50μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
实施例8
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为150μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
对比例1
一种PP导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
对比例2
一种PP/HDPE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
对比例3
一种PP/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
对比例4
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm。
其制备方法同实施例1。
对比例5
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
对比例6
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，碳纤维的长度为100μm，鳞片石墨的粒径为30μm。
其制备方法同实施例1。
对比例7
一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，包括以下重量百分比的组分：
其中，经过表面处理改性的碳纤维的长度为100μm，经过表面处理改性的鳞片石墨的粒径为30μm。
所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
1)先将PP在80℃温度下干燥2h，然后将干燥的PP、碳纤维、鳞片石墨和助剂简单混合5min，再进行同向对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
2)将步骤1)得到的PP混合粒料和HDPE在80℃温度下干燥3h，然后将干燥的PP混合粒料、干燥的HDPE和POE简单混合5min，再进行同向对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
实施例1-8和对比例1-7所得产物的性能参数如表1所示。
表1产物的性能参数
从表1中可以看到，通过在PP/HDPE/POE高分子材料基体中填充改性碳纤维和鳞片石墨，采用同向非对称双螺杆挤出机进行同向非对称性挤压和混合，可以制备力学性能、流动性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
实施例1与实施例2相比可以看到，采用PP、HDPE、POE的重量百分比为44％、11％、9％制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，不论在力学性能、流动性能还是热性能，都要比PP、HDPE、POE的重量百分比为43％、13％、8％制备的要好，而两者的导热性能相当，即PP/HDPE/POE复合导热高分子材料中PP、HDPE、POE的最佳重量百分比为44％、11％、9％。同时，实施例1与实施例3和4相比可以看到，采用碳纤维、鳞片石墨的重量百分比为15％、15％制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在热性能和导热性能方面明显优于碳纤维、鳞片石墨的重量百分比为10％、10％制备的，其最大分解速率温度提高4.3℃、热导率提高26.8％，两者主要力学性能指标和流动性能指标相近；而在力学性能和流动性能方面明显优于碳纤维、鳞片石墨的重量百分比为20％、20％制备的，其拉伸强度提高8.8％、断裂伸长率提高38.1％、弯曲强度提高19.6％、冲击强度提高36.7％、熔体流动速率提高16.4％。因此，选择碳纤维、鳞片石墨的重量百分比为15％、15％制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料综合性能最好。导热高分子材料的导热性能取决于导热填料，要使其形成导热通路，获得良好的导热性能，最直接的办法就是提高导热填料的填充量。导热填料太少，无法在高分子材料基体中形成导热通路，包覆在填料表面的高分子材料阻隔了热量传递，热导率不能有较大的提高；导热填料过多，填料不再被高分子基体材料包覆，有利于形成导热通路和导热网络，填料之间直接发生热量传递，可以提高复合材料的热导率，制备材料的导热性能更好，但是复合材料的力学性能、加工性能等会有较大损失，应用上受到限制。因此，在满足材料热导率要求的前提下，通过控制填料加入量可以提高其力学性能，同时表现出良好的协同作用，对导热高分子材料热导率的提高较为明显。
实施例1与实施例5和6相比可以看到，采用碳纤维与粒径为30μm鳞片石墨混杂填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在力学性能、流动性能、热性能和导热性能方面都要明显优于碳纤维与粒径为150μm鳞片石墨及碳纤维与粒径为7.5μm鳞片石墨混杂填充制备的，其最大分解速率温度提高2℃以上、热导率提高13％以上。采用长度为100μm碳纤维与粒径为30μm鳞片石墨进行混杂填充，由于两种导热填料的尺寸相当，不同导热填料之间产生更好的互补效果与协同效应，使得PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的力学性能、流动性能、热性能和导热性能比其它尺寸差别较大的碳纤维与鳞片石墨组合要好。
实施例1与实施例7和8相比可以看到，采用长度为100μm碳纤维与鳞片石墨混杂填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在力学性能、流动性能、热性能和导热性能方面都要明显优于50μm碳纤维与鳞片石墨及150μm碳纤维与鳞片石墨混杂填充制备的，其最大分解速率温度提高1℃以上、热导率提高2.6％以上。采用长度为100μm碳纤维与粒径为30μm鳞片石墨进行混杂填充，由于两种导热填料的尺寸相当，不同导热填料之间产生更好的互补效果与协同效应，使得PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的力学性能、流动性能、热性能和导热性能比其它尺寸差别较大的碳纤维与鳞片石墨组合要好。
实施例1与对比例1、2和3相比可以看到，采用碳纤维与鳞片石墨混杂填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在流动性能、热性能和导热性能方面与PP导热高分子材料和PP/HDPE复合导热高分子材料制备的相近，但在综合力学性能方面要好，断裂伸长率分别提高9.9％和6.8％，冲击强度分别提高24.1％和16.5％；而PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的流动性能、热性能和导热性能都要明显优于PP/POE复合导热高分子材料制备的，后者只是在断裂伸长率和冲击强度方面提高。由此可见，HDPE和POE添加到PP中产生良好的协同增韧效应，复合材料能够更快产生脆韧转变，冲击强度提高，其综合性能较单一增韧时有较大的提升，而HDPE的添加还可降低增韧复合材料的成本，使PP/HDPE/POE复合导热高分子材料具有最佳的综合力学性能。将PP/HDPE/POE复合材料作为制备导热高分子材料的基体，在一定程度上也弥补了填充型导热高分子材料由于添加导热填料而造成的复合材料力学性能损失。
实施例1与对比例4和5相比可以看到，采用碳纤维与鳞片石墨混杂填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，在力学性能和热性能方面与单一碳纤维填充制备的相近，在流动性能和导热性能方面则比单一碳纤维填充制备的要好，熔体流动速率提高6.8％，热导率提高9.1％；而在力学性能、流动性能、热性能和导热性能方面，则都要明显优于单一鳞片石墨填充制备的，其中拉伸强度提高10.1％、冲击强度提高16.5％、热导率提高59.2％。这说明两种导热填料的混杂可以提高导热高分子材料的导热性能，更好地实现填料颗粒的相互接触，形成较多的导热通路，促使其导热性能得到改善。采用单一填料填充对于改善高分子材料导热性能的效果有限，而使用不同种类的多元填料进行混杂填充，可以使其形成更大的堆砌度，产生导热通路，不同填料之间产生互补效果，使得除了导热性能外，导热高分子材料的综合力学性能等均优于单一填料填充的，体现了不同填料之间良好的协同效应。
实施例1与对比例6相比可以看到，采用经过表面处理改性的碳纤维和鳞片石墨进行填充制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的力学性能、流动性能、热性能和导热性能，都要明显优于未经过表面处理改性的碳纤维和鳞片石墨制备的，其中拉伸强度提高20.8％、冲击强度提高10.7％、热导率提高64.2％。这是因为导热填料碳纤维与鳞片石墨易团聚，且与高分子材料的相容性较差，两者表面张力差导致出现空隙，阻碍热量的传递效率，因此需要改善填料的表面性能，提高其与基体材料的界面相容性，改善填料粒子的分散、堆积方式。采用偶联剂对填料进行改性处理，比如硅烷偶联剂(KH-550、KH-570)等，偶联剂小分子化合物拥有多种官能团，可以与基体发生反应，偶联剂能在高分子材料与填料之间起到连接桥梁作用，改善两者的界面相容性，从而优化导热填料的分散和分布情况。
实施例1与对比例7相比可以看到，采用同向非对称双螺杆挤出机制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其力学性能、流动性能、热性能和导热性能都要明显优于传统同向双螺杆挤出机制备的，其拉伸强度提高4.6％、断裂伸长率提高9.6％、弯曲强度提高12.3％、冲击强度提高13.6％、熔体流动速率提高18.5％、最大分解速率温度提高2℃以上、热导率提高18.2％，对于加工多元混杂填料填充的导热高分子材料，同向非对称双螺杆挤出机表现出更加优异的加工性能，导热高分子材料的热稳定性能和导热性能更好。这是因为同向非对称双螺杆挤出机适于不同形态和粒径的导热填料混杂加工，可以有效减小填料间的孔隙率，填料在高分子材料基体中分布更加均匀，导热高分子材料微观形态显示很好的导热网络，制备的导热高分子材料综合性能更好。
采用同向非对称双螺杆挤出机制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其综合力学性能、加工流动性能、热稳定性能和导热性能均比传统同向双螺杆挤出机制备的要好。这是因为传统同向双螺杆挤出机的两根螺杆结构完全相同，缺少流体加工空间几何形状的转换，所以双螺杆无法对物料进行挤压和混合，从而使导热高分子材料在流道时缺少压缩、挤压的作用，对物料进行加工时需要消耗大量能量，剪切过程中界面的再取向作用减弱，混合效果有限。而采用同向非对称双螺杆挤出机制备的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，两条螺杆具有非对称性，第一螺杆和第二螺杆同向转动时流道的截面形状发生周期性变化，从而对流道中的物料进行压缩和挤压作用，使得物料的流动空间周期性压缩、扩张，产生混沌混合效果，使得导热高分子材料的混合性能得到改善，挤出机的传热传质效率和能量利用率提高。
通过碳纤维和鳞片石墨为导热填料的协同作用，采用同向非对称双螺杆挤出机混合加工，可以制备出力学性能、流动性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，实现其工业化连续生产及在照明灯罩、散热器件、家电外壳、按摩泵壳体中应用。

Claims (10)

1.一种PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
2.根据权利要求1所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，助剂为抗氧剂和液体石蜡中的一种或两种。
3.根据权利要求1或2所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，碳纤维的长度为50-150μm，石墨的粒径为7.5-150μm。
4.根据权利要求1或2所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，碳纤维为经过表面处理改性的碳纤维，由以下方法制备得到：将偶联剂和无水乙醇的混合溶液喷洒在碳纤维的表面，干燥，得到经过表面处理改性的碳纤维。
5.根据权利要求4所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550和KH-570中的一种或两种；偶联剂的重量为碳纤维的重量的1-5％，无水乙醇的重量为碳纤维的重量的15-25％。
6.根据权利要求1或2所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，石墨为经过表面处理改性的鳞片石墨，由以下方法制备得到：将偶联剂和无水乙醇的混合溶液喷洒在鳞片石墨的表面，干燥，得到经过表面处理改性的鳞片石墨。
7.根据权利要求6所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料，其特征在于，偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH-550和KH-570中的一种或两种；偶联剂的重量为鳞片石墨的重量的1-5％，无水乙醇的重量为鳞片石墨的重量的15-25％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将PP、碳纤维、石墨和助剂进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP混合粒料；
将得到的PP混合粒料、HDPE和POE进行同向非对称性挤压和混合，挤出造粒，得到PP/HDPE/POE复合导热高分子材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用同向非对称双螺杆挤出机进行同向非对称性挤压和混合，同向非对称双螺杆挤出机的两条螺杆具有非对称性，两条螺杆的截面由多段曲率半径不同的圆弧构成，且两条螺杆的截面构型不同。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的PP/HDPE/POE复合导热高分子材料在照明灯罩、散热器件、家电外壳和按摩泵壳体中的应用。
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