CN113801467A - 热传导材料的制作方法、热传导材料及导热支架 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种热传导材料的制作方法、热传导材料及导热支架，所述制作方法包括：将无机导热填料置于超临界状态的介质中；采用偶联剂对无机导热填料进行浸润，所述偶联剂包括亲水基团和疏水基团；使所述介质恢复气态，形成活化导热填料；将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。在超临界介质环境中，通过偶联剂对无机导热填料进行偶联，以提高与有机树脂材料相容性，进而提高热传导材料的导热性，同时保证热传导材料具有良好的机械性能。
Description
技术领域
本申请涉及材料领域，尤其涉及一种热传导材料的制作方法、热传导材料及导热支架。
背景技术
在电动工具领域，支架主要起机械支撑的作用，因而对机械强度有一定要求。另一方面，由于电动工具的电机、控制板、电芯等结构同时还有散热需求，温升过高容易导致电动工具正常工作甚至元件损坏。此外，某些支架还存在电绝缘的要求。现有的支架的材料为PA6(尼龙6)，机械强度与电绝缘性能都能满足基本需求，但导热系数较低(约0.3W.mK)，在电机、控制板、电芯的功耗逐渐增大的趋势下，越发不能满足导热需求。
发明内容
本申请提供一种热传导材料的制作方法、热传导材料及导热支架，该热传导材料具有良好的导热性能、机械性能及绝缘性能。
具体而言，本申请提供一种热传导材料的制作方法，所述制作方法包括：将无机导热填料置于超临界状态的介质中；采用偶联剂对无机导热填料进行浸润，所述偶联剂包括亲水基团和疏水基团；使所述介质恢复气态，形成活化导热填料；将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。
进一步的，所述有机树脂材料包括PA6材料。
进一步的，所述介质为CO2，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种，所述无机导热填料为氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种。
进一步的，所述活化导热填料的接触角不小于130°，所述活化导热填料的活化指数不小于90％。
本申请还提供一种热传导材料的制作方法，所述制作方法包括：将CO2充入装有无机导热填料的反应釜中；调节反应釜中的温度和气压，使CO2处于超临界状态；开启搅拌并将偶联剂以喷淋方式加入反应釜；停止搅拌，调节反应釜中气压和/或温度，使处于超临界状态的CO2恢复气态，获得呈粉末状的活化导热填料；将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。
另一方面，本申请还提供一种热传导材料，通过根据如前所述的制作方法制作。
进一步的，所述无机导热填料与热传导材料的质量比值为40％～60％，所述热传导材料的导热系数为0.7～1.5W.mK。
进一步的，所述热传导材料的拉伸强度为54～64MPa，弯曲强度为78～89MPa，缺口冲击强度为3.0～5.6kJ/m2。
又一方面，本申请还提供一种导热支架，所述导热支架如前所述的热传导材料注塑成型。
进一步的，在注塑成型工艺中，通过超声波发生器对所述无机导热填料进行超声空化。
在超临界介质环境中，通过偶联剂对无机导热填料进行偶联，以提高与有机树脂材料相容性，进而提高热传导材料的导热性，同时保证热传导材料具有良好的机械性能。
附图说明
图1是热传导材料的导热系数与活化导热填料添加量的变化曲线图。
图2是热传导材料的机械性能与活化导热填料添加量的变化曲线图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供一种热传导材料的制作方法，其包括：
步骤S11：将无机导热填料置于超临界状态的介质中；
步骤S12：采用偶联剂对无机热传导材料进行浸润；
步骤S13：使所述介质恢复气态，形成活化导热填料；
步骤S14：将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料；
其中，所述偶联剂包括亲水基团和疏水基团，根据相似相溶原理，亲水基团与具有极性的有机树脂材料容易结合，疏水基团容易与不具备极性的无机导热填料结合，即偶联剂作为桥接，从而提高活化导热填料与有机树脂材料的结合力。
依靠活化导热填料的高热传导性，可提高最终获得的热传导材料的导热性能。具体来说，活化导热填料在有机树脂基体中分布越均匀，越容易形成热传导的通路，使得热传导材料的导热性能越好；偶联剂对导热填料的浸润越充分，导热填料在基体树脂中越不容易富集、团聚，分散越均匀，则导热性能获得进一步提升。另一方面，高分子材料中，加入的无机成分越多对其机械性能越不利；当加入的无机成分一定时，分布越均匀、团聚越少，对机械性能的不利影响越小。
可选的，在所述步骤S11中，所述无机导热填料为氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝(Al2O3)中的至少一种。所述介质为CO2(二氧化碳)，CO2在温度为31.26℃、压力为7.39MPa时处于超临界状态。例如，可以首先将无机导热填料置于CO2中，并调节温度和压力使得CO2处于超临界状态(SC-CO2)。处于超临界流体状态的CO2具有接近液体的溶解能力及接近气体的扩散性，从而提升偶联的效果。
在所述步骤S12中，偶联剂可采用钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种，用于活化导热填料和有机树脂材料的偶联。
在所述步骤S13中，使所述介质恢复气态可通过调节压力和/或温度来实现。
在所述步骤S14中，将活化导热填料与有机树脂材料混合，并通过双螺杆(或单螺杆)挤出造粒，形成热传导材料。
图1显示了采用传统偶联法及超临界CO2偶联法的导热系数与无机导热填料添加量的变化曲线图，其中，无机导热填料的添加量为导热材料质量与热传导材料的质量之比。由图1可知，在无机导热填料的添加量为40％～60％(无机导热填料与热传导材料的质量比，下同)时，超临界CO2偶联法明显优于传统偶联法。
图2显示了机械性能-无机导热填料的添加量的变化曲线图，可知无机导热填料的添加量为40％～60％时，热传导材料的机械性能高于添加量为60％～70％的热传导材料，同时缺口冲击强度在添加量为60％～70％时下降的趋势尤为明显。因此，本实施例中无机导热填料的添加量优选40％～60％，以获得良好的导热性能和机械性能。
在另一实施方式中，所述热传导材料的制作方法包括：
步骤S21：将CO2充入装有无机导热填料的反应釜中。
步骤S22：调节反应釜中的温度(高于31.26℃)和气压(高于7.39MPa)，使CO2处于超临界状态，以使其具有气体的扩散性和液体的溶解性。
步骤S23：开启搅拌并将偶联剂以喷淋方式加入反应釜，具体来说，通过反应釜自带的磁力搅拌装置，利用超临界状态的CO2的扩散性，使粉状活化导热填料充分分散而充满反应釜，此时粉状的活化导热填料有最大的表面积；将偶联剂以喷淋方式加入反应釜并搅拌，由于超临界CO2接近液体的溶解能力，使得偶联剂很容易溶解于超临界CO2；此外由于偶联剂与无机导热填料的亲和力，使其浸润包覆于无机导热填料表面。
步骤S24：搅拌一段时间后停止搅拌，调节反应釜中气压或温度，使处于超临界状态的CO2恢复气态，经过偶联处理的无机导热填料从中析出，即获得呈粉末状的活化导热填料。
步骤S25：将活化导热填料与PA6材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。
偶联剂的浸润程度将影响活化导热填料的表面活性，表面活性以接触角和活化指数来表征，接触角越大、活化指数越高，表面活性越高。浸润程度越高，则活化导热填料的分散性越好，最终获得的热传导材料的导热性能(以导热系数来表征)也就越好，即偶联剂对无机导热填料的浸润程度越高，活化导热填料的表面活性越高。不同偶联剂、不同的无机导热填料的表面活性的变化是不一致的。
以氧化铝(Al2O3)为例，通过不同工艺获得的接触角和活化指数是不同的，具体如下表：
另一方面，本申请还提供一种热传导材料，其通过前述的制作方法制作。以无机导热填料的添加量为40％～60％为例，最终获得的热传导材料的导热系数为0.7～1.5W/mK。对应的，所述热传导材料的拉伸强度为54～64MPa，弯曲强度为78～89MPa，缺口冲击强度为3.0～5.6kJ/m2。
本申请还提供一种导热支架，所述导热支架由如前所述的热传导材料注塑成型。在所述热传导材料的注塑成型工艺中，通过超声波发生器对所述无机导热填料进行超声空化。具体来说，在注塑成型过程中，可选择超声空化效应对活化导热填料的团聚进行充分分散，使得无机导热填料无团聚，分散更均匀，从而进一步提高导热系数。另一方面，在保证导热性能的前提下，活化导热填料的添加量较少，因而对有机树脂材料的机械性能的不利影响也较小，从而获得较好的机械性能。可选的，在注塑机上设置超声波发生器来实现超声空化。
满足上述导热性能和机械性能的导热支架可用于电池包的电芯支撑架，也可以作为电机支架、电路板支架等具有一定散热需求和机械性能要求的支撑结构。
在超临界介质环境中，通过偶联剂对无机导热填料进行偶联，以提高与有机树脂材料相容性，进而提高热传导材料的导热性，同时保证热传导材料具有良好的机械性能。
以上所述仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请做任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种热传导材料的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
将无机导热填料置于超临界状态的介质中；
采用偶联剂对无机导热填料进行浸润，所述偶联剂包括亲水基团和疏水基团；
使所述介质恢复气态，形成活化导热填料；
将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述有机树脂材料包括PA6材料。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述介质为CO2，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种，所述无机导热填料为氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述活化导热填料的接触角不小于130°，所述活化导热填料的活化指数不小于90％。
5.一种热传导材料的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
将CO2充入装有无机导热填料的反应釜中；
调节反应釜中的温度和气压，使CO2处于超临界状态；
开启搅拌并将偶联剂以喷淋方式加入反应釜；
停止搅拌，调节反应釜中气压和/或温度，使处于超临界状态的CO2恢复气态，获得呈粉末状的活化导热填料；
将活化导热填料与有机树脂材料混合并挤出造粒，获得热传导材料。
6.一种热传导材料，其特征在于，通过根据权利要求1至5中任一项所述的制作方法制作。
7.根据权利要求6所述的热传导材料，其特征在于，所述无机导热填料与热传导材料的质量比值为40％～60％，所述热传导材料的导热系数为0.7～1.5W.mK。
8.根据权利要求7所述的热传导材料，其特征在于，所述热传导材料的拉伸强度为54～64MPa，弯曲强度为78～89MPa，缺口冲击强度为3.0～5.6kJ/m2。
9.一种导热支架，其特征在于，所述导热支架由权利要求6至8中任一项所述的热传导材料注塑成型。
10.如权利要求9所述的导热支架，其特征在于，在所述热传导材料的注塑成型工艺中，通过超声波发生器对所述无机导热填料进行超声空化。
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| CN117264561A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-12-22 | 常熟理工学院 | 超临界改性氮化硼纳米管导热填料及胶黏剂的制备方法 |
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- 2021-09-01 CN CN202111021383.7A patent/CN113801467A/zh active Pending
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