CN117818185A - 一种层叠结构的导热pet膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层叠结构的导热PET膜及其制备方法。所述导热PET膜由多层交替层叠排列的导热层和基体层组成，所述导热层的材料由PET基体树脂、导热填料和相容剂组成，所述PET基体的重量百分比为20～50％，所述导热填料的重量百分比为40～75％，所述相容剂的重量百分比为5～10％，所述基体层的材料为PET基体树脂。导热层材料和基体层材料经过微纳层叠挤出设备微层共挤出，形成交替排列的多层层叠结构，经双向拉伸或流延成膜。本发明提供的层叠结构的导热PET膜，在膜的平行方向和垂直方向展示出差异化导热性能，具有优异的力学性能和稳定性，可以应用于发光二极管，太阳能电池和场效应晶体管等半导体元件领域。
Description
技术领域
本发明属于功能复合薄膜技术领域，具体涉及一种层叠结构的导热PET膜及其制备方法。
背景技术
基于有机高分子导体/半导体的电子器件引起了人们的广泛关注，例如：太阳能电池，有机场效应晶体管和发光二极管等。有机高分子材料有以下主要优点：可以从分子水平上调控功能性聚合物的结构来改善其性质，成本低，可加工性强，轻质量且容易大面积加工制备。PET的力学性能好、耐油脂、耐稀酸、耐碱、耐大多数溶剂、耐高温和低温、透明度高、可阻挡紫外线、光泽性好、无毒无味。但是由于有机材料固有的低热导率，其散热效率较低。为解决此技术难题，最直接有效的方法是在产品制造过程中采用高导热的热界面材料，促进热量有效地向外界快速扩散。但是随着科技的进步，传统的填充型热界面复合高分子材料越来越难以满足日益严苛的散热要求，低填充量下导热纳米填料难以在基底中形成有效的导热网络，从而限制材料热导率的提高；高填充量下导热纳米填料难以均匀分散，材料的热导率提升有限并且力学性能与加工性能会随之下降，不能满足实际加工中的需求。
微纳层叠技术，也称多层共挤出技术，是一种新型的熔体加工技术。其在传统挤出操作后串联多个层叠器，可用于在熔融状态下合成从纳米到微米尺度不等的多层聚合物复合材料。聚合物熔体在层叠器中经历分裂、扩散和堆叠，此过程中不仅熔体的流道延长，并且聚合物熔体受到持续的剪切力和拉伸力作用，这些力场有助于提高分散相在基体中的分布和形态调整，而利用层叠器中的收敛拉伸作用，可以对功能填料的分散取向进行调控，从而实现薄膜性能的各向异性，并且一定程度上提高薄膜的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有导电聚合物薄膜、取向性薄膜在导热性能和机械性能上存在的矛盾，提供一种层叠结构的导热PET膜及其制备方法。为此，本发明引入微纳层叠共挤出的方式来调控导热填料在PET基体中的分布与排列取向，并通过超支化聚酯相容剂改善导热填料的分散和材料的加工性能，制备双向拉伸PET膜。使用该方法制备的PET膜中含有交替层叠的多层复合材料，其中导热填料以连续或不连续的形式分布于导热层中，利用层叠器中的强剪切和拉伸流场，获得均匀分布。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种层叠结构的导热PET膜，其由多层交替层叠排列的导热层和基体层组成；所述导热层的材料由PET基体树脂、导热填料和相容剂组成，所述PET基体的重量百分比为20～50％，所述导热填料的重量百分比为40～75％，所述相容剂的重量百分比为5～10％；所述基体层的材料为PET基体树脂。
进一步地，所述导热填料为碳纳米管、石墨烯、氮化硼、金属氧化物、金属氮化物中的一种或一种以上的组合。
进一步地，所述相容剂为超支化聚酯或其改性化合物。
进一步地，所述导热PET膜由2n层交替层叠排列的导热层和基体层组成，n＝2～8。
进一步地，所述导热PET膜的总厚度为5μm～1mm。
进一步地，所述的一种层叠结构的导热PET膜的制备方法包括以下步骤：
1)导热层母粒的制备：将PET基体树脂、导热填料和相容剂在150～200℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒，制作成导热层母粒；
2)层叠结构的导热PET膜的制备：将导热层母粒和基体层的PET基体树脂分别投入两台挤出机，经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相在层分配器中不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的多层微层结构，熔融挤出经双向拉伸或流延获得层叠结构的导热PET膜。
进一步地，所述层叠分配器为n个串联的层叠单元，复合熔体在层叠单元的入口沿宽度方向分割为二等份，每一等份沿取向模具继续向前流动并旋转90°同时宽展2倍，厚度减少到1/2倍，在此过程中导热层材料和基体层材料由于双向拉伸作用得到取向，并于出口处汇流，进入下一个层叠单元，其中层叠单元的数量n＝2～8。
本发明具有以下有益效果:
1、通过微纳层叠共挤出设备实现导热填料在PET基体中的取向分布，利用层叠器中的强剪切和拉伸流场，导热填料富集于导热层中，并且获得沿轴向的高取向排列。一方面提高了复合PET膜平行方向上的导热性能、降低复合PET膜整体上的功能填料的用量；另一方面PET基体层起到支撑和增强作用，保证了复合PET膜整体的机械性能。
2、以超支化聚酯作为导热层中聚酯基体与导热功能填料分散相的相容剂，一方面增强了两相之间的相互作用力，另一方面增加了导热层的流动性，提高其拉伸加工性能，更使其与基体相在层叠过程中界面力学协同效应增强，产生“1+1＞2”的效果，进一步提高了导热功能性填料的分布和取向。
3、本发明提供的层叠结构的导热PET膜，在膜的平行方向和垂直方向展示出差异化导热性能，具有优异的力学性能和稳定性，可以应用于发光二极管，太阳能电池和场效应晶体管等半导体元件领域。
4、本发明工艺简单，操作控制方便，可连续化生产，生产效率高，生产成本低，适用于多种聚合物基体，具有较强的工业化能力和广阔的市场前景。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域的技术人员更好地理解本发明，但不以任何形式限制本发明。未便于比较导热效果，本发明所列实施例及对比例的导热填料统一为2000目氮化铝，相容剂为平均分子量20000的超支化聚酯，制备的叠层结构的导热PET膜的厚度为0.2mm。
实施例1
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树脂、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)将导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经2个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的4层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获得层叠结构的导热PET膜。
实施例2
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树脂、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经5个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的32层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获得层叠结构的导热PET膜。
实施例3
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树脂、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经5个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的32层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获得层叠结构的导热PET膜。
实施例4
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树脂、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经7个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的128层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获得层叠结构的导热PET膜。
实施例5
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树脂、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经8个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的256层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获层叠结构的导热PET膜。
对比例1
1)按表1提供的重量百分比称取导热填料、导热层的PET基体树，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成导热层母粒；
2)导热层母粒和基体层的PET基体分别投入两台挤出机、经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相经5个串联的层分配器不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的32层微层结构，熔融挤出，双向拉伸，获得所述层叠结构的导热PET膜。
对比例2
按表1提供的重量百分比称取导热填料、PET基体、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，不经层叠工艺直接双向拉伸成膜。
对比例3
按表1提供的重量百分比称取导热填料、PET基体、相容剂，在180℃的塑炼机中混合均匀，然后利用造粒机挤出，不经层叠工艺直接双向拉伸成膜。
表1PET膜加工配方(重量份)
表2PET膜性能比较
从表2的数据可以看出，层叠结构对于PET膜的导热率具有积极的影响。在材料配比相同的情况下(实施例2、4、5)，随着层数逐步增加，PET膜的拉伸强度增加，导热率提升。对比例2为未经层叠的单层PET膜，与实施例2中的总体导热填料添加量相同(基体层+导热层，约为25％)，但是其导热率仅为3W/m·K左右；同样是单层薄膜的对比例3中导热填料添加量与实施例2中导热层导热填料添加比例相同(仅计算导热层，约为50％)，其导热率虽然较对比例2有所提升但是拉伸强度显著下降到19MPa。对比例1与实施例2结构和工艺相同，配方相似，但是缺少超支化聚酯相容剂，拉伸强度和导热率均有较为明显的降低。综上所述，本发明提供的具有层叠结构的导热PET膜解决了现有技术中高填充复合高分子导热膜强度与导热率的矛盾，而超支化聚酯相容剂的使用进一步改善了导热填料在加工时的排列分布，对PET膜强度和导热率都存在促进作用。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解，上述具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种层叠结构的导热PET膜，其特征在于，其由多层交替层叠排列的导热层和基体层组成；
所述导热层的材料由PET基体树脂、导热填料和相容剂组成，所述PET基体的重量百分比为20～50％，所述导热填料的重量百分比为40～75％，所述相容剂的重量百分比为5～10％；
所述基体层的材料为PET基体树脂。
2.根据权利要求1所述的一种层叠结构的导热PET膜，其特征在于，所述导热填料为碳纳米管、石墨烯、氮化硼、金属氧化物、金属氮化物中的一种或一种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种层叠结构的导热PET膜，其特征在于，所述相容剂为超支化聚酯或其改性化合物。
4.根据权利要求1所述的一种层叠结构的导热PET膜，其特征在于，所述导热PET膜由2n层交替层叠排列的导热层和基体层组成，n=2~8。
5.根据权利要求1所述的一种层叠结构的导热PET膜，其特征在于，所述导热PET膜的总厚度为5μm~1mm。
6.如权利要求1~5任一项所述的一种层叠结构的导热PET膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）导热层母粒的制备：将PET基体树脂、导热填料和相容剂在150～200℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒，制作成导热层母粒；
2）层叠结构的导热PET膜的制备：将导热层母粒和基体层的PET基体树脂分别投入两台挤出机，经层叠分配器、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出装置，两相在层分配器中不断被分割、叠加，经过收敛-拉伸复合流动场作用，形成交替排列的多层微层结构，熔融挤出经双向拉伸或流延获得层叠结构的导热PET膜。
7.根据权利要6所述的一种层叠结构的导热PET膜的制备方法，其特征在于，所述层叠分配器为n个串联的层叠单元，复合熔体在层叠单元的入口沿宽度方向分割为二等份，每一等份沿取向模具继续向前流动并旋转90°同时宽展2倍，厚度减少到1/2倍，在此过程中导热层材料和基体层材料由于拉伸作用得到取向，并于出口处汇流，进入下一个层叠单元，其中层叠单元的数量n=2~8。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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