CN110835466A - 基于热塑性高分子材料的电感封装粉体及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体及其生产工艺。本发明的技术方案是：包括0.5~25%质量分数的热塑性高分子聚合物以及25~99.5%质量分数的磁性金属粉体。本发明的热塑性高分子材料的电感封装粉体，固化后的电感耐热性比常规树脂封装的电感要高至少50摄氏度，在同样的添加量条件下，封装好的电感具有更优的绝缘等级，耐盐雾腐蚀也更优秀。

Description

基于热塑性高分子材料的电感封装粉体及其生产工艺
技术领域
本发明涉及电感制造技术领域，特别涉及一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体及其生产工艺。
背景技术
模压方法是制造小型或微型电感的非常重要的一种方法，有的时候甚至是唯一可行的制造方法。这些小型或微型电感在显示器、手机、5G、物联网、车联网以及人工智能等领域是必不可少的精密被动元器件。模压工艺中能将磁性粉末材料封装在一起，并起到粘合、保护、绝缘以及防锈等一系列作用的就是电感封装材料。随着这些电感越来越多的被用在更多的应用场景中，对电感的耐热、耐候、耐老化、耐腐蚀、耐UV、耐高电压以及耐大电流等性能都提出了很高的要求，有的时候甚至是苛刻。传统或者以往的用于模压的封装材料，都是热固性高分子材料（还有一种陶瓷封装材料，因为是无机烧结工艺，不在此模压范围内），比如热固性的环氧树脂等。由于热固性高分子的种种缺陷，使得用热固性高分子材料模压方法制造电感在制造流程上，在制造出的电感性能上都存在着诸多问题，比如：
1、热固性树脂大都是只有较短的存储时限。因为模压工艺需要事先将树脂（高分子材料）与磁性粉末混合好，造粒后再进行模压制程。几乎在所有情况下，当热固性材料的所有的组成成分都混合并造粒后，并不会立即压制，而是会存储一段时间甚至运输到另一个区域进行模压工艺制程。这就要求树脂的各个组成部分在混合后有着很好的存储稳定性。但热固性树脂基本都存在着，一旦所有原料都混合在一起，固化反应就已经开始进行了。所以很多情况下，在经过存储一段时间后，再进行模压制程的时候，造粒后的粉体因为内部已经开始了一定程度（有的时候会是很大程度上的）的聚合，从而导致模压后的电感无法达到正常设计的强度、压制密度以及感值等参数。如果存储条件不同（温度，时间），就会导致压制后的电感性能出现极大的性能偏差。低温冷冻存储可以有效降低固化反应速度，但这又给存储增加了新的问题：需要冷冻设备，需要更多的能耗，运输需要冷链等等问题。
2、热固性树脂在固化的时候存在着放热效应。任何热固性树脂，在固化过程中，都是放热反应。这种放热效应伴随着模压的巨大压力，会导致模压成型后的电感内部，产生极大的应力。而已经有数据表明，模压法制造的电感，品质劣化的一个非常重要的原因就是树脂聚合和压力的共同作用下产生的应力造成的。为了解决模压时的固化应力问题，往往需要在热固性树脂中添加增韧剂或者控制反应速度的助剂。但增韧剂的加入会降低热固性树脂的玻璃化转变温度Tg及耐热性，减少促进剂或者添加抑制反应速度的助剂，不但很难控制固化速度，又会导致需要模压成型的时候，需要更高的模压温度，更大的模压压力，更长保压时间等等。从而造成能耗提高及制造效率降低。
3、热固性树脂及其搭配的固化剂，促进剂，交联剂等助剂，在没有完全固化的时候，要么是小分子化合物，要么是线性低聚合度的寡聚物或者齐聚物，很多这类原料都有相当程度的挥发性及毒性。对环境及操作人员不友好。尤其是固化剂，比如环氧树脂固化剂的毒性是环氧树脂应用中不可回避的问题。胺类固化剂的毒性是比较强的，大多数有机胺类对老鼠呼吸道刺激致死的LD50值约为蒸汽浓度1000-12000微克/克，暴露时间4到6小时。伯胺、仲胺的刺激性比叔胺强，芳香胺比脂肪胺大。这些胺类能引起肝脏和肾脏的损伤。酸酐类固化剂能刺激呼吸道和皮肤。为了降低酸酐类的刺激性及稳定性，有些场景中会先将酸酐与部分环氧进行一定程度的聚合。但这样又增加了制程的复杂性
因此，热固性树脂在用模压法制造一些高性能电感时，会有诸多困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种耐热、耐候、耐老化、耐腐蚀、耐UV、耐高电压、耐大电流等性能更好，且能够避免上述热固性树脂存在的存储时效、应力大以及存在挥发性毒性的基于热塑性高分子材料的电感封装粉体及其生产工艺。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，包括0.5~25%质量分数的热塑性高分子聚合物以及25~99.5%质量分数的磁性金属粉体。
优选的，所述磁性金属粉体包括纯铁粉、羰基铁粉、合金铁粉、非晶合金、四氧化三铁粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述合金铁粉包括铁粉以及钴、镍、锰、铬、铜、锌中的一种或几种的组合。
优选的，所述磁性金属粉体的直径范围为50nm~50μm。
优选的，所述热塑性高分子聚合物为不可溶性热塑性高分子材料和/或可溶性热塑性高分子材料。
优选的，所述不可溶性热塑性高分子材料为聚醚醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚碳酸酯以及聚四氟乙烯中的一种或几种的组合。
优选的，所述可溶性热塑性高分子材料为聚醚砜、聚芳砜、热塑性聚酰亚胺聚烯烃、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯中的一种或几种的组合。
一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，包括以下生产步骤：
1）、将热塑性高分子聚合物以及磁性金属粉体直接在混炼机或开炼机或捏合机中进行混合；
2）、混合均匀后，在200~500℃下，通过机械压力将混合物造粒并干燥；
3）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的造粒粉。
一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，包括以下生产步骤：
1）、使用溶剂将热塑性高分子聚合物溶解，溶解后加入磁性金属粉体，溶剂的添加量为5~80%；
2）、在混合机中，一边搅拌或者捏合，一边挥发溶剂，此时在常温或加热以及抽真空条件下除去溶剂，直至混合物中的溶剂含量在1~10%；
3）、将步骤2）得到混合物在室温下，通过机械挤压过筛造粒；或者将该混合物直接喷雾干燥造粒；
4）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的造粒粉。
优选的，所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种。
本发明相对于现有技术具有如下优点，本发明的热塑性高分子材料的电感封装粉体，固化后的电感耐热性比常规树脂封装的电感要高至少50摄氏度，在同样的添加量条件下，封装好的电感具有更优的绝缘等级，耐盐雾腐蚀也更优秀。具体包括以下几个方面：
1．几乎没有存储时效问题，相对于热固性树脂与磁性金属粉体混合后只能保存几周甚至几天，热塑性塑料几乎没用存储时效问题。
2．由于在模压的过程中，没用明显的热效应，压制后的电感内部应力很小，更少性能缺陷及更少性能偏差。
3．热塑性塑料本身就已经是聚合完成的高分子量聚合物，绝大部分既无气味，也无挥发性，无毒性或者毒性非常小，环境友好。
4．强度更高，绝缘性，耐热性更好。某些种类的热塑性塑料，特别是热塑性工程塑料或热塑性特种工程塑料，都具有极佳的耐热性和绝缘性。比如PEEK，PSU，PPSU，PI等等。封装于这些更好耐热性塑料内的磁性金属粉体，更稳定和更少受到环境影响。使得压制成型的电感性能也更佳。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，包括0.5~25%质量分数的热塑性高分子聚合物以及25~99.5%质量分数的磁性金属粉体。
优选的，所述磁性金属粉体包括纯铁粉、羰基铁粉、合金铁粉、非晶合金、四氧化三铁粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述合金铁粉包括铁粉以及钴、镍、锰、铬、铜、锌中的一种或几种的组合。
优选的，所述磁性金属粉体的直径范围为50nm~50μm。
优选的，所述热塑性高分子聚合物为不可溶性热塑性高分子材料和/或可溶性热塑性高分子材料。
优选的，所述不可溶性热塑性高分子材料为聚醚醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚碳酸酯以及聚四氟乙烯中的一种或几种的组合。
优选的，所述可溶性热塑性高分子材料为聚醚砜、聚芳砜、热塑性聚酰亚胺聚烯烃、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯中的一种或几种的组合。
一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，包括以下生产步骤：
1）、将热塑性高分子聚合物以及磁性金属粉体直接在混炼机或开炼机或捏合机中进行混合；
2）、混合均匀后，在200~500℃下，通过机械压力将混合物造粒并干燥；根据具体热塑性材料的软化点而变化。
3）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的造粒粉。
需要说明的是，在此工艺中，热塑性高分子材料可以是可溶于性的高分子材料或是不可溶的高分子材料或者是可溶于性的高分子材料与不可溶的高分子材料的组合。
一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，包括以下生产步骤：
1）、使用溶剂将热塑性高分子聚合物溶解，溶解后加入磁性金属粉体，溶剂的添加量为5~80%；
2）、在混合机中，一边搅拌或者捏合，一边挥发溶剂，此时在常温或加热以及抽真空条件下除去溶剂，直至混合物中的溶剂含量在1~10%；
3）、将步骤2）得到混合物在室温下，通过机械挤压过筛造粒；或者将该混合物直接喷雾干燥造粒；
4）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的造粒粉。
对于像PEEK、PPO、PPS、聚酰胺-尼龙、PC、PTFE等这类基本不溶解的高分子材料，采用与磁性金粉体直接在混炼机或开炼机或捏合机混炼的方式进行混合和造粒。对于像聚烯烃、ABS、PMMA、可溶性PI、PSU、PPSU等这类可溶性热塑性高分子材料，可以用如上的方式造粒，也可以容适合的溶剂溶解，完全溶解后，再与磁性金属粉末混合，在混合机中，一边搅拌或者捏合，一边挥发溶剂。当混合物中的溶剂残留量达到某个范围后，再造粒，干燥。或者将该混合体系喷雾干燥造粒。溶剂的选择根据具体的热塑性高分子类型而选择。
优选的，所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种。
实施例1：
将1公斤含氟可溶性PI（杜邦 PY5006T）溶解于10公斤NMP（N甲基吡咯烷酮），然后在该溶液中加入25公斤巴斯夫的EQ羰基铁粉，粒径D50=5微米。在捏合机中密闭混合30分钟，混合均匀后，抽真空，加热捏合机到120度，并继续混合。直到混合物中NMP的含量达到2%到4%，取出混合物，在造粒设备上造粒，造粒结束后，将得到的造粒粉体在120度烘箱中烤干，完全除去溶剂NMP。然后过筛，收集100目到300目的粉体。残留粉体可以回收，用溶剂NMP溶解，继续造粒。最后得到PI含量为4%，铁粉含量为96%的，混合粉体颗粒。
将粉体颗粒定量送料，输送到预制有线圈，铁心的模压机的模穴上，模压温度设为280摄氏度，压力保持在12吨，保压时间100秒，然后退模，得到电感。电感再进烘箱，200度/2小时，最终得到电感成品。
经测试，用此工艺获得的电感，同样的金属粉体种类，同样的添加量条件下，比用热固性环氧树脂的耐热性提高至少120度，耐压提高100伏特。耐盐雾性能提升2倍。200度高温循环寿命提高3倍。
实施例2：
将750克PSU（巴斯夫E1010）和250克PMMA（奇美 CM-205）溶解于12公斤氯仿中，然后再该溶液中加入33公斤合金铁粉（日本川崎制钢 KIP304AS），在捏合机中密闭混合30分钟，混合均匀后，抽真空，并继续混合。直到混合物中氯仿的含量达到2%到7%，取出混合物，在造粒设备上造粒，造粒结束后，将得到的造粒粉体在80度烘箱中烤干，除去剩余的溶剂氯仿。然后过筛，收集70目到200目的粉体。残留粉体可以回收，用溶剂溶解，继续造粒。最后得到PSU+PMMA含量为3%，铁粉含量为97%的，一定目数的粉体颗粒。
将粉体颗粒定量送料，输送到预制又线圈，铁心的模压机的模穴上，模压温度设为195摄氏度，压力保持在8吨，保压时间70秒，然后退模，得到电感。电感再进烘箱，170度/1小时，最终得到电感成品。
经测试，用此工艺获得的电感，同样的金属粉体种类，同样的添加量条件下，比用热固性环氧树脂的耐热性提高80度，耐压提高50伏特。
实施例3：
将1公斤PC（沙比克PC-1414）和10公斤羰基铁粉（巴斯夫 SQ 粒径D50=7微米），10公斤非晶合金（安泰科技，D50=3微米）投料到混炼机中，真空条件下加热混炼机到220度，密闭混炼60分钟。混合均匀后，保持220度条件下，挤出造粒，造粒冷后得到50目到120目的粉体颗粒。最后得到的粉体颗粒中PC含量为5%，铁粉含量为95%。
将粉体颗粒定量送料，输送到预制又线圈，铁心的模压机的模穴上，模压温度设为280摄氏度，压力保持在5吨，保压时间30秒，然后退模，得到电感。无需后烤程序。
经测试，用此工艺获得的电感，同样的金属粉体种类，同样的添加量条件下，比用热固性环氧树脂的耐压提高50伏特。
实施例4：
将200公斤聚苯硫醚 PPS（大日本油墨 Z-230 BK ）和800克尼龙Nylon（PA66 美国杜邦Zytel 70G20HSL）和20公斤羰基铁粉（巴斯夫 SQ 粒径D50=7微米）投料到混炼机中，真空条件下加热混炼机到280度，密闭混炼60分钟。混合均匀后，保持280度条件下，挤出造粒，造粒冷后得到50目到120目的粉体颗粒。最后得到的粉体颗粒中PPS+尼龙含量为5%，铁粉含量为95%。
将粉体颗粒定量送料，输送到预制又线圈，铁心的模压机的模穴上，模压温度设为275摄氏度，压力保持在15吨，保压时间30秒，然后退模，得到电感。无需后烤程序。
经测试，用此工艺获得的电感，同样的金属粉体种类，同样的添加量条件下，比用热固性环氧树脂的耐热性提高120度，耐压提高80伏特。耐盐雾性提高1倍的时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：包括0.5~25%质量分数的热塑性高分子聚合物以及25~99.5%质量分数的磁性金属粉体。
2.根据权利要求1所述的一种基于热塑性高分子材料的电感，其特征在于：所述磁性金属粉体包括纯铁粉、羰基铁粉、合金铁粉、非晶合金、四氧化三铁粉中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：所述合金铁粉包括铁粉以及钴、镍、锰、铬、铜、锌中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求3所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：所述磁性金属粉体的直径范围为50nm~50μm。
5.根据权利要求4所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：所述热塑性高分子聚合物为不可溶性热塑性高分子材料和/或可溶性热塑性高分子材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：所述不可溶性热塑性高分子材料为聚醚醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚碳酸酯以及聚四氟乙烯中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求5所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体，其特征在于：所述可溶性热塑性高分子材料为聚醚砜、聚芳砜、热塑性聚酰亚胺聚烯烃、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求5的所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，其特征在于，包括以下生产步骤：
1）、将热塑性高分子聚合物以及磁性金属粉体直接在混炼机或开炼机或捏合机中进行混合；
2）、混合均匀后，在200~500℃下，通过机械压力将混合物造粒并干燥；
3）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的粉体。
9.根据权利要求7所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，其特征在于：包括以下生产步骤：
1）、使用溶剂将热塑性高分子聚合物溶解，溶解后加入磁性金属粉体，溶剂的添加量为5~80%；
2）、在混合机中，一边搅拌或者捏合，一边挥发溶剂，此时在常温或加热以及抽真空条件下除去溶剂，直至混合物中的溶剂含量在1~10%；
3）、将步骤2）得到混合物在室温下，通过机械挤压过筛造粒；或者将该混合物直接喷雾干燥造粒；
4）、造粒粉干燥后，通过筛网选择粒径范围50~500μm的粉体。
10.根据权利要求8所述的一种基于热塑性高分子材料的电感封装粉体的生产工艺，其特征在于：所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种。
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