TW201319135A

TW201319135A - 阻燃導熱塑膠組成物

Info

Publication number: TW201319135A
Application number: TW100140804A
Authority: TW
Inventors: Oktavia Hyurin; Chin-Huei Yen
Original assignee: Kenner Material & System Co Ltd
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US20130116371A1; TWI424014B

Abstract

本發明揭示一種阻燃導熱塑膠組成物。所述的阻燃導熱塑膠組成物包含：A聚烯烴，重量百分比為5至45%，B熱塑性彈性體，重量百分比為3至25%，C熱傳導性填充物，重量百分比為35至85%，D非磷、非氮、非鹵系防火劑，重量百分比為5至55重量%，E.偶合劑，重量百分比為0.5至6%。本發明所提供的組成物具有UL94 V1以上防火等級，熱傳導係數大於1.0 Watts/m-K，105℃以上的熱變形溫度，高表面阻抗。組成物有良好加工性，可藉由射出、押出或熱壓成型。

Description

阻燃導熱塑膠組成物

本發明係關於一種阻燃熱傳導塑膠之組成。

電子元件、電路板或二極體所產生的熱能不斷累積時，容易導致元件的錯誤運作、零件故障，效率降低或使用壽命減短。因此，如何有效的散熱對於這些電子零件來說非常重要。

傳統電子零件散熱的方法多使用金屬板做為散熱材，但是，相較於高分子材料而言，金屬材料的成本及加工難度較高。然而，使用高分子材料又有一個較大的缺點，也就是高分子材料的導熱率約0.1至0.5 Watts/m-K，遠不及金屬好。因此，為了補足高分子在導熱方面的不足，有眾多研究者藉由在高分子中填充金屬粉末、金屬氧化物、碳纖維、石墨、人工鑽石、奈米碳管、無機氮矽化物等高導熱率填充料。

比如，美國公開專利US 20110040007利用金屬塗佈的填充粒子、第二填充粒子及前二者混合之聚合物之組合，可使導熱率達到20至35 Watts/m-K。另一美國公開專利US 006048919及中華民國專利M404994，則是利用金屬、金屬氧化物及高熱傳導填料，填充於樹脂中來提高材料熱傳效果。

LED照明設備的散熱元件目前多採用鋁鰭等金屬導熱材料。而此種材料具有比重重、不易加工成型，且為電的良導體等特性，在使用上須考慮觸電等安全上的問題。部分廠商為確保電器使用上的安全，以絕緣塑膠包覆驅動元件，除了費用高之外，亦容易使驅動元件散熱不良，導致驅動元件的使用壽命減少。

有鑑於此，本發明之目的在於開發具有高表面阻抗的導熱塑膠，使驅動元件能以直接接觸或藉由空氣傳熱的方式，將熱能傳導至導熱塑膠，以促進驅動元件散熱，達到延續使用壽命及提昇使用安全的效果。並且，若使用單一材料即可達到導熱效能，亦能夠節省人力及資源。美國公開專利US 20090069483使用氧化鋁纖維造0.5~5μm粒子，與低電阻率材料及熱塑性樹脂模塑成電絕緣樹脂。

另外，隨著家電用品爆炸事件不斷的傳出，日常電器用品的安全規範漸被重視，如LED燈管及球泡安規有如下的規範：台灣CNS14335,CNS15436及CNS15438北美UL-1993 & UL-8750,加拿大CSA1993~2009,歐洲IEC/EN 62560及IEC/EN 60598-1,韓國KS C 7651~7653，檢視上述法規防火等級至少要求V1以上，然市面上產品多不符合防火要求，因此，開發阻燃導熱高阻抗的多功能塑膠，將能因應未來市場需求及廣泛運用於各種零組件及家電用品。

本發明之目的係為提供一種阻燃導熱塑膠之組成物。阻燃導熱塑膠的組成物，包含：A.至少一種聚烯烴，佔組成物之重量百分比為5至45%;B.至少一種熱塑性彈性體，佔組成物之重量百分比為3至25%，其中，聚烯烴與熱塑性彈性體的總和佔組成物之重量百分比為10至50%;C.至少一種熱傳導性填充物，佔組成物之重量百分比為35至85%，其中，熱傳導性填充物選自於金屬材料、熱傳導值大於10 Watts/m-K的非金屬材料或其混合，並且，熱傳導性填充物形狀選擇粉末、纖維或其混合，而粉末或纖維的粒徑或直徑大小在1至40 μm之間；至少一種防火劑，佔組成物之重量百分比為5至55%，其中，防火劑為非磷、非氮、非鹵系防火劑；以及至少一種偶合劑，佔組成物之重量百分比為0.5至6%。

本發明之阻燃導熱塑膠組成物具有UL94 V1以上的防火等級，低的熱阻抗，優良的穩定性。且熱傳導係數大於1.0 Watts/m-K，熱變形溫度105℃以上，高表面阻抗等特性。這些特性使本發明之組成物可達到優異散熱性能及阻燃效果。未來可實際應用於LED照明設備散熱用外殼、電子元件散熱絕緣介面材料、多種電子零組件及家電用品。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明之阻燃導熱塑膠之組成，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下。

本發明的主要特徵在於兼具阻燃與熱傳導特性之塑膠。本發明之防火阻燃熱傳導組成物至少包含下列組成：

A.一種或多種聚烯烴，其可以是均聚物(homopolymer)或共聚物(copolymer)。均聚物(homopolymer)如聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯、聚1-戊烯、聚1-己烯、聚1-辛烯、聚4-甲基-1-戊烯等。共聚物(copolymer)如乙烯-醋酸乙烯共聚物，乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯-聚1-丁烯共聚物、丙烯-聚4-甲基-1-戊烯共聚物、丙烯-环烯烃共聚物等。聚烯烴佔組成物之重量百分比為5至45%，較好的添加比例為10至30重量%。

B.一種或多種熱塑性彈性體(Thermoplastic elastomer)，可以為苯乙烯類如具中嵌段(mid-block)及端嵌段(end-block)苯乙烯系嵌段共聚物。中嵌段可以為乙烯丙烯或是乙烯丁烯。端嵌段為聚苯乙烯(如：苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯嵌段共聚物)和混合物，亦可以為烯烴類如：嵌段形成硬質部之聚丙烯等結晶性高的聚合物之聚烯烴嵌段與軟質部之呈現非結晶性之單體共聚物所成之嵌段共聚物，如烯烴(結晶性)-乙烯-丁烯-烯烴(結晶性)嵌段共聚物、聚丙烯-聚環氧乙烷-聚丙烯嵌段共聚物、聚丙烯-聚烯烴(非結晶性)-聚丙烯嵌段共聚物或雙烯類等。其中熱塑性彈性體佔組成物之重量百分比為3至25%間，較好的添加比例為4至15重量%之間。

C.一種或多種熱傳導填充物，佔組成物之重量百分比為35至85%間。熱傳導填充物形狀可以選擇粉末、纖維或其混合，並且，超過90%的粉末或纖維之粒徑或直徑大小約在1～40μm間。其中，熱傳導填充物選自金屬材料、熱傳導值至少10 Watts/m-K的非金屬材料或其混合。

在一較佳實施例中，金屬材料選擇由銀、鋁、金、銅、鎳、鋅及其任意混合所組成的群組其中一種。熱傳導值至少為10 Watts/m-K的非金屬材料，在一較佳實施例中，選擇由氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼、鑽石、石墨、碳奈米管、碳化矽、碳化鎢、氮化矽及其任意混合所組成的群組其中之一種。

若熱傳導填充物係為金屬材料混合上述非金屬材料時，在一較佳實施例中，金屬材料佔組成物之重量百分比為1至80%，較佳的添加比例為25至60重量%。而非金屬材料佔組成物之重量百分比為1至70%，較好的添加比例為5至55重量%。

若熱傳導填充物係選擇非金屬材料時，則在組成物中，非金屬材料佔組成物之重量百分比為35至85%，較好的添加比例為50至80重量%。

D.至少一種防火劑，在一較佳實施例中，選擇非氮、非磷、非鹵系之防火劑。所述的防火劑較佳選擇由硼酸鋅、氫氧化鋁、氫氧化鎂及其任意混合所組成的群組其中之一種。在組成物中，防火劑佔組成物之重量百分比為5至55%，在一較佳實施例中，添加比例約20至40重量%。

由於本發明所用的防火劑非磷、非氮、非鹵系，於燃燒時不會產生有毒之氣體，所以不會影響生物健康及環境品質。此外，防火劑中所添加氫氧化鋁或氫氧化鎂，在高溫下會吸收大量熱量，並放出結晶水。而結晶水在汽化過程中又會再吸收大量的熱，可以降低環境的熱量而達到阻燃的效果。

E.至少一種偶合劑，在一較佳實施例中，選擇由矽甲烷、鈦酸鹽、鋁鋯酸鹽及其任意混合所組成的群組其中之一種，或者，選擇由順丁烯二酐和聚丙烯、乙丙三元橡膠、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物及其任意混合所組成的群組其中之一種。在組成物中，偶合劑佔組成物之重量百分比為0.5至6%間，較佳實施例中，添加比例為1至5重量%。

本發明之阻燃導熱組成物，除了包含上述之A、B、C、D及E成份之組成外，也可加入常見之加工助劑。所述的加工助劑選自於塑化劑、滑劑、抗氧化劑、UV安定劑、熱安定劑、染料、顏料及其任意組合所組成的群組其中之一種。

在一較佳實施例中，上述組成物中聚烯烴(A)與熱塑性彈性體(B)的總和佔組成物之重量百分比為10至50%之間。若聚烯烴(A)與熱塑性彈性體(B)的總和佔組成物之重量百分比小於20%，且聚烯烴(A)含量又小於熱塑性彈性體(B)時，聚烯烴(A)的含量至少大於熱塑性彈性體(B)含量之65%以上。若否，則熱傳導填充物(C)在組成物中所佔重量百分比不易達到70%以上。

本發明之塑膠組成物，除了具有良好的阻燃性及導熱性之外，也具有高表面阻抗。製備時，以熱塑性材料的加工方法，如：射出、押出或熱壓成型等加工方法來成型即可。

[製作方法]

本發明其中一實施例中，阻燃導熱塑膠組成物的製造方法，係包括：將組成物A、B、C、D及E分別以進料機送入雙螺桿擠出機熔融捏合，以得到共同熔融捏合之組成物。以此方式製作之阻燃導熱塑膠組成物，可以依形狀需求選擇適當的模具，搭以適當的塑型設備來成型。

如前述組合物所製作出來的試片，根據ISO 22007-2測試熱傳導係數，可得K值大於1.0 Watts/m-K。

[實施例]

請參照表1，為實施例1至13各組成配比及量測結果：

由表中可看出本發明不同實施例的配比。其中，聚烯烴、熱塑性彈性體、鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氧化鋅、氫氧化鎂、氫氧化鋁、硼酸鋅或偶合劑之表示為重量百分比。

實施例的製作方法皆是將聚烯烴、熱塑性彈性體、無機填料、防火劑及偶合劑分別置入進料斗，使用同向雙螺桿擠壓機捏合及粒化。其中，螺桿轉速控制在150至200 rpm。得到粒狀物後，以射出機於螺桿加熱溫度210℃和模溫控制90℃射出，所得之模塑物件為40毫米x 40毫米x 2毫米厚。

量測方法列舉如下：

[導熱率]

使用熱盤(Hot Disk)測試，測試方法依據ISO 22007-2。

[熔融指數]

於200℃ 10 Kg荷重下，測試方法依據ASTM D1238。

評估標準標示如下：

○：熔融指數間大於5 g/10 min

△：熔融指數介於0.5 g/10 min至5 g/10 min

X：熔融指數小於0.5 g/10 min

[表面阻抗]

使用表面阻抗測定儀，測試方法根據ASTM D257。評估標準標示如下：

○：大於1E+12Ω/sq

△：介於1E+9Ω/sq至1E+12Ω/sq間

X：小於1E+9Ω/sq

[熱變形溫度]

使用熱變形溫度測試儀，荷重0.45 MPa，測試方法根據ASTM D648。

評估標準標示如下：

○：大於等於120℃

△：介於105℃至120℃間

X：介於90℃至105℃間

[耐燃性測試]

依據UL 94垂直測試方法；取2組樣品，每組5支，放入(1)分別於23±2℃和50±5%下，放置48小時；(2)置入空氣交換爐，溫度為70±1℃，持溫168小時後，在室溫下冷卻至少4小時再進行測試。燃燒時火焰中心置於樣品下邊中心點處，燃具頂部到樣品下端距離為10±1 mm，維持10±0.5秒，燃燒10±0.5秒後以300 mm/min的速度移開燃具，使其與樣品下端距離至少150 mm，同時開始紀錄餘焰時間t1，餘焰停止時立刻再次燃燒10±0.5秒，移開燃具後，記錄餘焰時間t2和餘燃時間t3。紀錄t1、t2、t3、是否有滴垂及點燃棉花現象。加總的時間越短表示阻燃效果越佳。

評估標準標示如下表2：

聚烯烴本身具有較高的表面阻抗，但添加熱傳導填充物卻有可能降低其表面阻抗值，因此，聚烯烴與熱傳導填充物所添加的比例如何調配，以使塑膠組成物的導熱性改善同時，仍維持高表面阻抗，為本發明技術特徵之一。

由表1中可以看出，經由測試，本發明實施例1~13之塑膠組成物，熱變形溫度至少105℃以上，熱傳導係數大於1.0 Watts/m-K，表面阻抗大於1E+9 Ω/sq以上，導熱率、表面阻抗或熱變形溫度表現在一定標準，甚至更佳，皆可以運用於導熱相關的材料。另外，於200℃，10公斤荷重下，所測得的熔融指數在0.5 g/10 min以上，易於製備及加工。

值得一提的是，在較佳實施例1~5中，所添加的阻燃劑比例較多，且抗燃的能力較好，因此，具有UL94 V1以上之防火等級。也就是說，本發明實施例1~5，除了具有良好的導熱性及高表面阻抗之外，也具有很好的阻燃性。

前述之測試數據證明，本發明所提供的塑膠組成物確實兼具防火阻燃、高導熱性、高表面阻抗之優點。係可應用於電子元件、電路板或二極體中作為散熱板，或於應用於LED照明設備或家用電器之外殼。並且，本發明所提供的塑膠組成物有良好加工性，可藉由射出、押出或熱壓成型，製備方法容易。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

Claims

一種阻燃導熱塑膠之組成物，包含：A.　至少一種聚烯烴，佔該組成物之重量百分比為5至45%；B.　至少一種熱塑性彈性體，佔該組成物之重量百分比為3至25%，其中，該聚烯烴與該熱塑性彈性體的總和佔該組成物之重量百分比為10至50%；C.　至少一種熱傳導性填充物，佔該組成物之重量百分比為35至85%，其中，該熱傳導性填充物選自於金屬材料、熱傳導值大於10 Watts/m-K的非金屬材料或其混合；D.　至少一種防火劑，佔該組成物之重量百分比為5至55%，其中，該防火劑為非磷、非氮、非鹵系防火劑；以及E.　至少一種偶合劑，佔該組成物之重量百分比為0.5至6%。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，當該聚烯烴與該熱塑性彈性體的總和佔該組成物之重量百分比小於20%，且該聚烯烴含量小於該熱塑性彈性體時，該聚烯烴含量為該熱塑性彈性體含量的65%以上。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該金屬材料選擇由銀、鋁、金、銅、鎳、鋅及其任意混合所組成的群組其中一種，該非金屬材料選擇由氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼、鑽石、石墨、碳奈米管、碳化矽、碳化鎢、氮化矽及其任意混合所組成的群組其中之一種。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該熱傳導性填充物係為該金屬材料混合該非金屬材料時，該金屬材料佔該組成物之重量百分比為1至80%，該非金屬材料佔該組成物之重量百分比為1至70%。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該熱傳導性填充物為該非金屬材料時，該非金屬材料佔該組成物之重量百分比為35至85%。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該熱傳導性填充物形狀為粉末、纖維或其混合，超過90%的該粉末或纖維的粒徑或直徑大小在1至40 μm之間。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該防火劑佔該組成物之重量百分比為20至40%，並且，該防火劑選擇由硼酸鋅、氫氧化鋁、氫氧化鎂及其任意混合所組成的群組其中之一種。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該偶合劑佔該組成物之重量百分比為1至5%，該偶合劑選擇由矽甲烷、鈦酸鹽、鋁鋯酸鹽及其任意混合所組成的群組其中之一種，或選擇由順丁烯二酐和聚丙烯、乙丙三元橡膠、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物及其任意混合所組成的群組其中之一種。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，其中，該組成物的熱傳導係數至少大於1.0 Watts/m-K，熔融指數至少大於0.5 g/10 min以上，表面阻抗至少大於1E+9 Ω/sq，熱變形溫度大於105℃以上，並且，該組成物具有阻燃等級UL94 V1以上。
如申請專利範圍第1項之塑膠組成物，更包括一加工助劑，該加工助劑選擇由塑化劑、滑劑、抗氧化劑、UV安定劑、熱安定劑、染料、顏料及其任意混合所組成的群組其中之一種。
一種塑膠組成物，該組成物表面阻抗至少大於1E+9 Ω/sq，包含：A.　至少一種聚烯烴，佔該組成物之重量百分比為5至45%;B.　至少一種熱塑性彈性體，佔該組成物之重量百分比為3至25%，其中，該聚烯烴與該熱塑性彈性體的總和佔該組成物之重量百分比為10至50%;及C.　至少一種熱傳導性填充物，佔該組成物之重量百分比為35至85%，其中，該熱傳導性填充物選自於金屬材料、熱傳導值大於10 Watts/m-K的非金屬材料或其混合。
一種如申請專利範圍第1或11項所述的塑膠組成物之加工方法，選擇射出、押出或熱壓成型。