一種導熱材料及其製備方法和應用與流程

2023-09-23 19:49:25 1

本發明涉及高分子材料製備領域，具體涉及一種導熱材料及其製備方法和應用。

背景技術：

大功率散熱產品，尤其是電子元器件，其在工作狀態下，隨著工作時間的延長會產生大量的熱量，熱量如果不能及時散去，會在產品的內部積聚，輕則影響元件自身性能，加劇材料的老化速度，縮短其應用壽命，重則將元件燒壞，產生意外事故，造成重大的損失。

現有技術一般通過在產品中添加具有散熱功能的結構件來解決散熱問題。例如cn105848453a公開了一種大功率元器件散熱片，通過在大功率元器件中增設一個散熱片來達到將熱量散發出去的目的。然而電子電氣領域的器件結構比較緊湊，增加散熱器件會縮小產品可利用的空間，因而如何有效散熱仍然是一個重要的問題。

近年來，許多人把研究的方向聚焦到如何增加材料本身的導熱性上來。一般來說，純塑料材料的導熱係數遠遠不及金屬、陶瓷材料，但是它的絕緣性能好。未經改性的普通塑料的導熱係數很低，一般為0.2-0.46w/mk左右，而經過熱傳導改性的導熱塑料可依據產品要求大大提高其導熱係數。導熱塑料不僅具有金屬和陶瓷的熱傳遞性能，同時還保留了普通塑料在設計、性能和成本方面的優點，具有散熱均勻、重量輕、多種基礎樹脂的選擇、成型加工方便、熱膨脹係數低、成型收縮率低、工作溫度低和提高設計自由度特點。以導熱塑料替代一些對製品尺寸有嚴格要求或對絕緣性和散熱性同時要求的金屬產品，在工程應用方面意義重大，不僅實現了輕量化，更大大降低了成本。

cn106366583a公開了一種導熱材料，通過向以pbt基材中加入氧化鎂、氧化鋁、氧化鋅以及石墨等導熱物質，得到了導熱係數為1-8w/mk的材料。該導熱材料具有良好的縫隙填充能力和塑形性，能夠起到很好的熱傳遞作用。cn105462241a公開了一種聚醯胺pa6導熱材料，通過向聚醯胺pa6原料中加入了氧化鎂，提高聚醯胺材料的導熱性能，其導熱係數可達2.1w/mk。cn104403311a公開了一種尼龍導熱材料，通過向尼龍基材中加入氮化鋁和碳化矽的混合物來改善材料的導熱性能，其導熱係數可達5w/mk。

現有技術一般都是通過向材料中添加碳基材料、金屬或金屬氧化物來改進材料的導熱性能，然而由於接觸方式以及分散程度的問題，現有的導熱材料的導熱性能仍然不足，亟待開發導熱性能更強的材料。

技術實現要素：

鑑於現有技術中存在的問題，本發明提供了一種導熱材料及其製備方法和應用，該導熱材料具有優異的導熱性能，其導熱係數可達11w/mk，可替代部分金屬製品實現產品的輕量化，應用於大功率散熱產品中時能夠實現良好的散熱功能，具有廣闊的應用前景。

為達此目的，本發明採用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種導熱材料，所述導熱材料按質量份包括以下組分：

所述基材為聚醯胺(pa)、聚丙烯(pp)、聚乙烯樹脂(pe)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(ppt)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)或聚苯硫醚(pps)中的任意一種。

現有的聚合物基材和石墨構成的複合材料中，石墨分散在基材中，二者以物理的方式相處接觸，對複合材料的導熱性能提高有限。本發明中，石墨具有共軛結構，氧化石墨烯本身也具有共軛結構，二者的π體系之間可以發生相互作用，使氧化石墨烯分子嵌入到石墨分子之間；而氧化石墨烯同時含有羧基、羰基等含氧官能團，可以與異構醇醚中的氧原子形成氫鍵；異構醇醚本身作為聚合物，與基材本身具有良好的相容性。因此，氧化石墨烯與異構醇醚之間產生協同作用，起到連接基材和石墨的作用，使得基材和石墨之間形成特殊連接結構，進而大幅提高了材料的導熱性能。

根據本發明，按質量份計，所述導熱材料中基材的含量為40-60份，例如可以是40份、43份、45份、47份、50份、53份、55份、58份或60份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，按質量份計，所述導熱材料中石墨粉的含量為25-30份，例如可以是25份、26份、27份、28份、29份或30份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，按質量份計，所述導熱材料中異構醇醚的含量為3-10份，例如可以是3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，按質量份計，所述導熱材料中氧化石墨烯的含量為3-8份，例如可以是3份、4份、5份、6份、7份或8份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，按質量份計，所述導熱材料中偶聯劑的含量為2-5份，例如可以是2份、3份、4份或5份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，所述異構醇醚為異構十醇聚氧乙烯醚、異構十一醇聚氧乙烯醚或異構十三醇聚氧乙烯醚中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是異構十醇聚氧乙烯醚、異構十一醇聚氧乙烯醚或異構十三醇聚氧乙烯醚中的任意一種；典型但非限定性的組合為異構十醇聚氧乙烯醚和異構十一醇聚氧乙烯醚；異構十醇聚氧乙烯醚和異構十三醇聚氧乙烯醚；異構十一醇聚氧乙烯醚和異構十三醇聚氧乙烯醚；異構十醇聚氧乙烯醚、異構十一醇聚氧乙烯醚和異構十三醇聚氧乙烯醚。

本發明對石墨粉的種類和粒徑不進行特殊限定，市售的石墨粉均適用於本發明。

根據本發明，所述偶聯劑為矽烷偶聯劑和/或鈦酸酯偶聯劑。

根據本發明，所述矽烷偶聯劑為矽烷偶聯劑kh550、矽烷偶聯劑kh570、矽烷偶聯劑z-601或矽烷偶聯劑kh792中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是矽烷偶聯劑kh550、矽烷偶聯劑kh570、矽烷偶聯劑z-601或矽烷偶聯劑kh792中的任意一種；典型但非限定性的組合為：矽烷偶聯劑kh550和矽烷偶聯劑kh570；矽烷偶聯劑z-601和矽烷偶聯劑kh792；矽烷偶聯劑kh550和矽烷偶聯劑z-601；矽烷偶聯劑kh570、矽烷偶聯劑z-601和矽烷偶聯劑kh792；矽烷偶聯劑kh550、矽烷偶聯劑kh570、矽烷偶聯劑z-601和矽烷偶聯劑kh792等，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

根據本發明，所述導熱材料按質量份計含有1-3份增韌劑，所述增韌劑的含量可以是1份、1.5份、2份、2.5份或3份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，所述增韌劑為三元乙丙橡膠、聚丁二烯橡膠或氯化聚乙烯中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是三元乙丙橡膠、聚丁二烯橡膠或氯化聚乙烯中的任意一種；典型但非限定性的組合為：三元乙丙橡膠和聚丁二烯橡膠；三元乙丙橡膠和氯化聚乙烯；聚丁二烯橡膠和氯化聚乙烯；三元乙丙橡膠、聚丁二烯橡膠和氯化聚乙烯。

根據本發明，所述導熱材料按質量份計含有0.2-0.4份的防火劑，所述防火劑的含量可以是0.2份、0.25份、0.3份、0.35份或0.4份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，所述防火劑為氯化石蠟、聚氯乙烯或含磷樹脂中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是氯化石蠟、聚氯乙烯或含磷樹脂中的任意一種；典型但非限定的組合為：氯化石蠟和聚氯乙烯；氯化石蠟和含磷樹脂；聚氯乙烯和含磷樹脂；氯化石蠟、聚氯乙烯和含磷樹脂。

根據本發明，所述導熱材料按質量份計含有0.1-0.5份的潤滑劑，所述潤滑劑的含量可以是0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，所述潤滑劑為乙撐雙硬脂醯胺、聚乙烯蠟或硬脂酸單甘油酯中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是乙撐雙硬脂醯胺、聚乙烯蠟或硬脂酸單甘油酯中的任意一種；典型但非限定性的組合為：乙撐雙硬脂醯胺和聚乙烯蠟；乙撐雙硬脂醯胺和硬脂酸單甘油酯；聚乙烯蠟和硬脂酸單甘油酯；乙撐雙硬脂醯胺、聚乙烯蠟和硬脂酸單甘油酯。

作為優選的技術方案，本發明所述導熱材料按質量份包括以下組分：

所述基材為聚醯胺(pa)、聚丙烯(pp)、聚乙烯樹脂(pe)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(ppt)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)或聚苯硫醚(pps)中的任意一種。

作為進一步優選的技術方案，本發明所述導熱材料按質量份包括以下組分：

所述基材為聚醯胺(pa)、聚丙烯(pp)、聚乙烯樹脂(pe)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(ppt)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)或聚苯硫醚(pps)中的任意一種。

第二方面，本發明提供一種如第一方面所述的導熱材料的製備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構醇醚混合後加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的基材、偶聯劑以及任選地潤滑劑、任選地增韌劑以及任選地防火劑混合後加入雙螺杆擠出機；

(3)利用雙螺杆擠出機進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到所述導熱材料。

根據本發明，步驟(1)和步驟(2)所述混合在高速混合機中進行。

根據本發明，步驟(1)所述混合的溫度為70-100℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(1)所述混合的時間為10-20min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(2)所述混合的溫度為20-40℃，例如可以是20℃、25℃、30℃、35℃或40℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(2)所述混合的時間為5-10min，例如可以是5min、6min、7min、8min、9min或10min，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(3)所述雙螺杆擠出機中螺杆轉速為400-500r/min，例如可以是400r/min、410r/min、420r/min、430r/min、440r/min、450r/min、460r/min、470r/min、480r/min、490r/min或500r/min，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(3)所述擠出造粒的溫度為240-300℃，例如可以是240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

作為優選的技術方案，本發明所述導熱材料的製備方法包括以下步驟：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構醇醚加入高速混合機，在70-100℃下混合10-20min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的基材、偶聯劑以及任選地潤滑劑、任選地增韌劑以及任選地防火劑加入高速混合機，在20-40℃下混合5-10min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為400-500r/min，在240-300℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到所述導熱材料。

第三方面，本發明提供如第一方面所述的導熱材料的應用，所述導熱材料應用於大功率散熱產品的製備中。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：

(1)本發明得到了一種高導熱材料，其導熱係數可達11w/mk。

(2)本發明製備的導熱材料具有優異的導熱性能，可替代部分金屬製品，實現產品的輕量化，同時降低了生產成本。

(3)本發明製備的導熱材料，應用於大功率散熱產品中時能夠實現良好的散熱功能，具有廣闊的應用前景。

具體實施方式

為便於理解本發明，本發明列舉實施例如下。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。

實施例1

按以下組分進行配料：

基材52份；石墨粉30份；異構醇醚7份；氧化石墨烯5份；偶聯劑3份；增韌劑2.5份；潤滑劑0.3份；防火劑0.2份。

所述基材選用聚醯胺，異構醇醚選用異構十醇聚氧乙烯醚，偶聯劑選用矽烷偶聯劑z-601，增韌劑選用氯化聚乙烯，潤滑劑選用乙撐雙硬脂醯胺，防火劑選用聚氯乙烯。

按照以下方法製備導熱材料：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構十醇聚氧乙烯醚加入高速混合機，在90℃下混合15min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的聚醯胺、矽烷偶聯劑z-601、乙撐雙硬脂醯胺、氯化聚乙烯以及聚氯乙烯加入高速混合機，在30℃下混合10min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為450r/min，在280℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到導熱材料。

實施例2

按以下組分進行配料：

基材45份；石墨粉28份；異構醇醚10份；氧化石墨烯8份；偶聯劑5份；增韌劑3份；潤滑劑0.5份；防火劑0.4份。

所述基材選用聚乙烯樹脂，異構醇醚選用異構十一醇聚氧乙烯醚，偶聯劑選用矽烷偶聯劑kh550，增韌劑選用氯化聚乙烯，潤滑劑選用聚乙烯蠟，防火劑選用氯化石蠟。

按照以下方法製備導熱材料：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構十一醇聚氧乙烯醚加入高速混合機，在100℃下混合10min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的聚乙烯樹脂、矽烷偶聯劑kh550、氯化聚乙烯、聚乙烯蠟以及氯化石蠟加入高速混合機，在40℃下混合8min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為500r/min，在300℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到導熱材料。

實施例3

按以下組分進行配料：

基材60份；石墨粉25份；異構醇醚5份；氧化石墨烯3份；偶聯劑5份；增韌劑1.5份；潤滑劑0.1份；防火劑0.4份。

所述基材選用聚對苯二甲酸丙二醇酯，異構醇醚選用異構十三醇聚氧乙烯醚，偶聯劑選用矽烷偶聯劑kh570，增韌劑選用三元乙丙橡膠，潤滑劑選用聚乙烯蠟，防火劑選用氯化石蠟。

按照以下方法製備導熱材料：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構十三醇聚氧乙烯醚加入高速混合機，在70℃下混合20min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的聚對苯二甲酸丙二醇酯、矽烷偶聯劑kh570、三元乙丙橡膠、聚乙烯蠟以及氯化石蠟加入高速混合機，在20℃下混合10min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為400r/min，在240℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到導熱材料。

實施例4

按以下組分進行配料：

基材55份；石墨粉28份；異構醇醚7份；氧化石墨烯4份；偶聯劑4份；增韌劑2份。

所述基材選用聚苯硫醚，異構醇醚選用異構十醇聚氧乙烯醚，偶聯劑選用矽烷偶聯劑z-601，增韌劑選用氯化聚乙烯。

按照以下方法製備導熱材料：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構十醇聚氧乙烯醚，加入高速混合機，在80℃下混合15min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的聚苯硫醚、矽烷偶聯劑z-601和氯化聚乙烯加入高速混合機，在25℃下混合8min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為480r/min，在265℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到導熱材料。

實施例5

按以下組分進行配料：

基材56份；石墨粉29份；異構醇醚8份；氧化石墨烯5份；偶聯劑2份。

所述基材選用聚醯胺，異構醇醚選用異構十醇聚氧乙烯醚，偶聯劑選用矽烷偶聯劑z-601。

按照以下方法製備導熱材料：

(1)將配方量的石墨粉、氧化石墨烯以及異構十醇聚氧乙烯醚，加入高速混合機，在90℃下混合16min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(2)將配方量的聚醯胺和矽烷偶聯劑z-601加入高速混合機，在30℃下混合10min後，將混合料加入雙螺杆擠出機；

(3)控制雙螺杆擠出機中螺杆轉速為500r/min，在300℃下進行擠出造粒，經過牽引，冷卻，切粒得到導熱材料。

對比例1

與實施例1相比，除了配方中沒有異構醇醚，氧化石墨烯由5份變為12份，相應的製備過程中不加入異構醇醚外，其他配方組分以及製備條件與實施例1均相同。

對比例2

與實施例1相比，除了配方中沒有氧化石墨烯，異構醇醚由7份變為12份，相應的製備過程中不加入氧化石墨烯外，其他配方組分以及製備條件與實施例1均相同。

對比例3

與實施例1相比，除了配方中沒有異構醇醚和氧化石墨烯，相應的製備過程中不加入異構醇醚和氧化石墨烯外，其他配方組分以及製備條件與實施例1均相同。

性能測試：

將各實施例和對比例製得的導熱材料分別製成100mm*120mm*2mm的板狀材料，採用熱線法導熱係數儀tc3000e測試其導熱係數，測試結果如表1所示。

表1

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明並不局限於上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。