导热聚乙烯复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种导热聚乙烯复合材料及其制备方法。该导热聚乙烯复合材料按重量份计包括15～50份的聚乙烯、4～35份的导热纤维以及23～80份的导热颗粒。该导热聚乙烯复合材料中，通过将导热纤维作为导热填料加入至聚乙烯基体中，形成了导热聚乙烯复合材料。相比于颗粒状的导热填料而言，呈纤维状的导热纤维在进入聚乙烯基体后，相互之间更容易形成搭接状态，所形成的搭接网络也更容易贯穿整个聚乙烯基体。在这样的搭接网络的热传导作用下，基体中的热量快速扩散，从而有利于提高复合材料的传热效率。同时加入导热颗粒后，这些导热颗粒能够“包裹”不同导热纤维之间的接头，使导热纤维之间形成更强的导热通路。
【专利说明】导热聚乙烯复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及聚合物材料加工领域，具体而言，涉及一种导热聚乙烯复合材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，电子领域以及LED领域对器件的功率和集成度的要求日益 提高，相应地，高功率和高集成度使得器件在正常工作状态下的生热量越来越高。这就要求 器件具有较高的传热性能，以达到及时的散热效果。作为这些器件的重要制备材料，聚合物 材料的导热性能也受到了越来越多的挑战。目前大多数的导热聚合物复合材料采用的聚合 物基体是聚苯硫醚和聚酰胺。然而，这些材料或加工性能较差，或价格较高，不宜进行大规 模的生产制备。
[0003] 聚乙烯为典型的热塑性塑料，其本体无臭、无味、无毒、材质柔而韧、密度比水低， 且具有优异的介电性能。同时，聚乙烯的化学稳定性较好，可以耐大多数的酸碱盐类，常温 下不溶于任何有机溶剂。另外，聚乙烯的耐低温性能优良，在_60°C下仍能够保持良好的力 学性能。作为一种工程塑料，聚乙烯的高温流动性好，加工性能优异，且具有明显的成本优 势。综合上述原因，以聚乙烯为聚合物基体的导热聚合物复合材料成为了新的研究热点。
[0004] 专利CN102311568B公开了一种导热高密度聚乙烯材料的制备方法，主要原理是 采用碳化硅、氮化铝等颗粒状的导热填料填充高密度聚乙烯，以制备导热高密度聚乙烯材 料。上述材料的热导率较低，其最高热导率只有0. 69w/(mk)。
[0005] 专利CN102311567B公开了一种纳米氧化铝填充的聚乙烯导热材料，但其导热率 也较低。当纳米氧化铝填充量达到59%时，材料的热导率只有0. 616w/(mk)。
[0006] 综上所述，如何提闻聚乙稀复合材料的导热率成为了研究者的新的关注热点。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在提供一种导热聚乙烯复合材料及其制备方法，以解决现有技术中聚乙 烯复合材料的导热性能较低的问题。
[0008] 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种导热聚乙烯复合材料，其 按重量份计包括15?50份的聚乙烯、4?35份的导热纤维以及23?80份的导热颗粒。
[0009] 进一步地，按重量份计，导热纤维包括2?20份的长纤维和2?15份的短纤维； 长纤维的长度为0. 7?9mm，短纤维的长度为0. 15?0. 4mm。
[0010] 进一步地，上述导热纤维的热导率>80w/(mk)，导热纤维的拉伸强度>700Mpa。
[0011] 进一步地，按重量份计，导热颗粒包括20?50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片 石墨。
[0012] 进一步地，膨胀石墨的起始膨胀温度为250?280°C;膨胀石墨的粒径为100?300 目，鳞片石墨的粒径为1200?5000目。
[0013] 进一步地，导热纤维为碳纤维或金属纤维，优选为碳纤维。
[0014] 进一步地，按重量份计，还包括1?15份的增强纤维，优选增强纤维为玻璃纤维。
[0015] 进一步地，按重量份计，导热聚乙烯复合材料还包括：1?20份的阻燃剂和0. 5? 6份的阻燃协效剂、可选的3?15份的增韧剂以及可选的0. 5?3份的偶联剂，优选阻燃 剂为十溴二苯醚、十溴二苯乙烷或四溴双酚A中的一种或多种；优选阻燃协效剂为三氧化 二锑、锑酸钠或硼酸锌中的一种或多种；优选增韧剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡 胶、乙烯-辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或多种；优选偶联剂为硅烷偶联剂。
[0016] 根据本发明的另一方面，还提供了一种导热聚乙烯复合材料的制备方法，其包括 以下步骤：S1、按重量份计，将15?50份的聚乙烯、4?35份的导热纤维，以及23?80份 的导热颗粒在混合机中进行混合，得到混合物；S2、将混合物进行挤出、牵引和造粒，得到导 热聚乙烯复合材料。
[0017] 进一步地，步骤S1中，还包括将按重量份计的1?15份的增强纤维加入混合机 中，与聚乙烯、导热纤维和导热颗粒共同进行混合的步骤。
[0018] 进一步地，步骤S1中，还包括将按重量份计1?20份的阻燃剂和0. 5?6份的阻 燃协效剂加入混合机中，与聚乙烯、导热纤维、导热颗粒和可选的增强纤维共同进行混合的 步骤。
[0019] 进一步地，步骤S1中，在将聚乙烯加入混合机中之前，将聚乙烯和3?15份的增 韧剂混合，并将混合物在-60?-20°C温度下磨粉至粒径在150 μ m以下。
[0020] 进一步地，步骤S1中，导热颗粒包括20?50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片 石墨；在将鳞片石墨加入混合机中之前，还包括对鳞片石墨进行预处理的步骤；对鳞片石 墨进行预处理的步骤包括：按重量份计，将0. 3?2份的偶联剂溶于乙醇中，配制成浓度为 1?3% wt的第一混合溶液，将第一混合溶液喷洒至鳞片石墨中，并在混合机中混合，取出 干燥后形成预处理的鳞片石墨。
[0021] 进一步地，步骤S1中，在将增强纤维加入混合机中之前，还包括对增强纤维进行 预处理的步骤；对增强纤维进行预处理的步骤包括：按重量份计，将0. 2?1份的偶联剂溶 于乙醇中，配制成浓度为1?3% wt的第二混合溶液，将第二混合溶液喷洒至增强纤维中， 经干燥后，形成预处理的增强纤维。
[0022] 进一步地，步骤S2中，将混合物进行挤出时，挤出温度为200?270°C。
[0023] 应用本发明的导热聚乙烯复合材料及其制备方法，通过将导热纤维作为导热填料 加入至聚乙烯基体中，形成了导热聚乙烯复合材料。相比于颗粒状的导热填料而言，呈纤维 状的导热填料在进入聚乙烯基体后，相互之间更容易形成搭接状态，所形成的搭接网络也 更容易贯穿整个聚乙烯基体。在这样的搭接网络的热传导作用下，能够促使基体中的热量 快速扩散，从而有利于提高复合材料的传热效率，进而提高复合材料的散热效果。另外，在 复合材料受到外力冲击时，纤维状的导热填料所形成的搭接网络还能够利用自身的形变吸 收一定的能量，从而改善复合材料的抗冲击性能，使复合材料具有更高的力学性能。同时加 入导热颗粒后，这些导热颗粒能够"包裹"不同导热纤维之间的接头，使导热纤维之间形成 更强的导热通路。再例如，导热颗粒还能够"钻入"导热纤维之间的位置，促使原本相互远 离的导热纤维通过这些导热颗粒形成导热通路。在各方面的作用下，有利于使两种导热填 料相互协调，在聚乙烯基体中形成更完善的三维网络结构。从而进一步改善复合材料的导 热性能，并提高复合材料的抗冲击性能。
【具体实施方式】
[0024] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
[0025] 正如【背景技术】部分所介绍的，现有的聚乙烯复合材料具有导热性较差的问题。 为了解决这一问题，本发明发明人提供了一种导热聚乙烯复合材料，按重量份计，其包括 15?50份的聚乙烯和4?35份的导热纤维以及23?80份的导热颗粒。
[0026] 本发明的上述复合材料，是将导热纤维和导热颗粒同时作为导热填料加入至聚乙 烯基体中。相比于颗粒状的导热填料而言，呈纤维状的导热填料在进入聚乙烯基体后，相互 之间更容易形成搭接状态，所形成的搭接网络也更容易贯穿整个聚乙烯基体。在这样的搭 接网络的热传导作用下，能够促使基体中的热量快速扩散，从而有利于提高复合材料的传 热效率，进而提高复合材料的散热效果。另外，在复合材料受到外力冲击时，纤维状的导热 填料所形成的搭接网络还能够利用自身的形变吸收一定的能量，从而改善复合材料的抗冲 击性能，使复合材料具有更高的力学性能。同时加入导热颗粒后，这些导热颗粒能够"包裹" 不同导热纤维之间的接头，使导热纤维之间形成更强的导热通路。再例如，导热颗粒还能够 "钻入"导热纤维之间的位置，促使原本相互远离的导热纤维通过这些导热颗粒形成导热通 路。在各方面的作用下，有利于使两种导热填料相互协调，在聚乙烯基体中形成更完善的三 维网络结构。从而进一步改善复合材料的导热性能，并提高复合材料的抗冲击性能。
[0027] 本发明的上述复合材料中，只要采用导热纤维作为导热填料，就能够在聚乙烯基 体中性能一定的导热网络。在一种优选的实施方式中，上述导热纤维包括2?20份的长纤 维和2?15份的短纤维；长纤维的长度为0. 7?9mm，短纤维的长度为0. 15?0. 4_。在 固定导热填料份数的情况下，将长短不同的导热纤维搭配使用，利用长纤维形成二维方向 上的填料网络，利用短纤维搭接不同的二维填料网络，进而能够形成三维填料网络。这就有 利于进一步改善复合材料的导热性能和抗冲击性能。
[0028] 本发明的上述复合材料中，所采用的导热纤维自身的热导率越高，应用其所制备 的聚乙烯复合材料的导热性能更好。综合考虑复合材料的导热性能和使用性能，优选地，导 热纤维的热导率>80w/ (mk)，导热纤维的拉伸强度>700Mpa。
[0029] 本发明的上述复合材料中，采用的导热颗粒可以是本领域技术人员所熟知的任意 导热颗粒，例如【背景技术】部分所提到的碳化硅和氮化铝。在一种优选的实施方式中，按重量 份计，上述导热颗粒包括20?50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片石墨。膨胀石墨和鳞片 石墨均具有较高的导热性，而且二者的密度较轻，能够使复合材料兼具较高的传热性能和 较轻的重量。更优选地，上述膨胀石墨的起始膨胀温度为250?280°C ;膨胀石墨的粒径为 100?300目，鳞片石墨的粒径为1200?5000目。起始膨胀温度是影响膨胀石墨层间距的 重要因素。在上述起始膨胀温度下形成的膨胀石墨，层间距较为适宜，能够使部分上述粒径 下的鳞片石墨进入层间。从而能够进一步改善膨胀石墨的导热性能，以进一步改善复合材 料的导热性能。
[0030] 本发明的上述复合材料中，任意具有导热性能的纤维均能够充当上述导热纤维。 在一种优选的实施方式中，上述导热纤维为碳纤维或金属纤维，金属纤维可以是铜纤维、铝 纤维等。更优选地，上述导热纤维为碳纤维。碳纤维具有较高的热导率，且具有高强度、质 轻的优势。用以作为导热纤维有利于使复合材料兼具高导热、高抗冲击性能和高强度的优 异性能。除此之外，出于进一步提高复合材料力学强度的考虑，上述复合材料按重量份计， 还包括1?15份的增强纤维，该增强纤维可以是玻璃纤维。
[0031] 按照本发明上述的教导，本领域技术人员出于改善复合材料综合性能的目的，有 能力选择其他助剂，将其加入上述复合材料中。一种优选的实施方式中，按重量份计，上述 复合材料还包括1?20份的阻燃剂和0. 5?6份的阻燃协效剂。将阻燃剂和阻燃协效剂加 入复合材料中，能够改善复合材料的阻燃性能，以使该复合材料更适用于高集成度的电子 器件的制备材料。具体的阻燃剂包括但不限于十溴二苯醚、十溴二苯乙烷或四溴双酚A中 的一种或多种，阻燃协效剂包括但不限于三氧化二锑、锑酸钠或硼酸锌中的一种或多种；
[0032] 更优选地，按重量份计，上述述导热聚乙烯复合材料还包括3?15%的增韧剂；增 韧剂包括但不限于乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯共聚物、苯乙烯-丁 二烯共聚物中的一种或多种；
[0033] 进一步优选地，按重量份计，上述导热聚乙烯复合材料还包括0. 5?3份的偶联 剂；偶联剂包括但不限于硅烷偶联剂。利用偶联剂，有利于改善填料或助剂与聚乙烯基体之 间的相容性，从而进一步提高复合材料的综合性能。
[0034] 本发明的上述复合材料中，采用的聚乙烯基体的分子量没有特殊要求，只要其具 有较好的加工性能即可。如，聚乙烯的重均分子量可以4X 105?8X 105。
[0035] 另外，本发明还提供了一种导热聚乙烯复合材料的制备方法，其包括以下步骤： S1、按重量份计，将15?50份的聚乙烯、4?35份的导热纤维和23?80份的导热颗粒在 混合机中进行混合，得到混合物；S2、将所述混合物进行挤出、牵引和造粒，得到所述导热聚 乙烯复合材料。应用纤维状的导热填料，能够使不同的导热纤维之间形成搭接网络，进而形 成导热网络。这就能够将基体中的热量通过该导热网络即使地输送出去，从而有利于提高 聚乙烯复合材料的导热性能。同时，在复合材料受到外力时，这样的搭接网络能够利用自身 的形变吸收部分能量，从而有利于改善复合材料的抗冲击性能。此外，同时加入纤维状和颗 粒状的导热填料，有利于在聚乙烯基体中形成更完善的三维导热填料网络，从而进一步提 高复合材料的导热性能。
[0036] 更优选地，上述步骤S1中，还包括将按重量份计的1?15份的增强纤维加入混合 机中，与聚乙烯、导热纤维和导热颗粒共同进行混合的步骤。通过加入增强纤维，能够进一 步提高复合材料的力学性能。进一步优选地，上述步骤S1中，还包括将按重量份计1?20 份的阻燃剂和0. 5?6份的阻燃协效剂加入混合机中，与聚乙烯、导热纤维、导热颗粒和可 选的增强纤维共同进行混合的步骤。通过加入阻燃剂和阻燃协效剂，能够改善复合材料的 阻燃性能。
[0037] 本发明的上述制备方法中，只要将各原料在混合机中混合，然后将混合物进行挤 出，便能够得到导热性能较高的复合材料。一种优选的实施方式中，上述步骤S1中，在将 聚乙烯加入混合机中之前，将聚乙烯和按重量份计3?15份的增韧剂混合，并将混合物 在-60?_20°C温度下磨粉至粒径在150 μ m以下。将聚乙烯在低温下在磨粉机中研磨，能 够使其具有较小的粒径，从而有利于后期的混合和挤出加工。同时，进一步加入增韧剂，有 利于进一步提高复合材料的抗冲击性能。
[0038] 上述导热颗粒可以是膨胀石墨和鳞片石墨，优选地，上述步骤S1中，导热颗粒包 括20?50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片石墨；在将鳞片石墨加入混合机中之前，还包括 对鳞片石墨进行预处理的步骤；对鳞片石墨进行预处理的步骤包括：按重量份计，将0. 3? 2份的偶联剂溶于乙醇中，配制成浓度为1?3% wt的第一混合溶液，将第一混合溶液喷洒 至鳞片石墨中，并在混合机中混合，取出经干燥后形成预处理的鳞片石墨。利用偶联剂对鳞 片石墨进行预处理，能够改善鳞片石墨的表面活性，使其与聚乙烯基体具有更好的相容性， 进而提高复合材料的综合性能。同理，上述步骤S1中，在将增强纤维加入混合机中之前，还 包括对增强纤维进行预处理的步骤；对增强纤维进行预处理的步骤包括：按重量份计，将 0. 2?1份的偶联剂溶于乙醇中，配制成浓度为1?3% wt的第二混合溶液，将第二混合溶 液喷洒至所述增强纤维中，经干燥后，形成预处理的所述增强纤维。
[0039] 本发明的上述制备方法中，对聚乙烯、填料混合物进行挤出时，挤出工艺按照常规 的聚乙烯挤出工艺即可。在一种优选的实施方式中，上述步骤S2中，将混合物进行挤出时， 挤出温度为200?270°C。在该温度下形成的聚乙烯复合材料，导热纤维、导热颗粒、增强纤 维及其他助剂的分散性更好，复合材料的综合性能相对较高。
[0040] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本 发明所要求保护的范围。
[0041] 实施例1
[0042] 本实施例制备了一种导热聚乙烯复合材料。
[0043] 制备原料：
[0044]
【权利要求】
1. 一种导热聚乙烯复合材料，其特征在于，按重量份计，包括15?50份的聚乙烯、4? 35份的导热纤维以及23?80份的导热颗粒。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，所述导热纤维包括2? 20份的长纤维和2?15份的短纤维；所述长纤维的长度为0. 7?9mm，所述短纤维的长度 为 0. 15 ?0. 4mm。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述导热纤维的热导率>80w/(mk)， 所述导热纤维的拉伸强度>700Mpa。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，所述导热颗粒包括20? 50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片石墨。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述膨胀石墨的起始膨胀温度为 250?280°C ;所述膨胀石墨的粒径为100?300目，所述鳞片石墨的粒径为1200?5000 目。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述导热纤维为碳纤维 或金属纤维，优选为碳纤维。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，还包括1?15份的增强 纤维，优选所述增强纤维为玻璃纤维。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，所述导热聚乙烯复合材 料还包括：1?20份的阻燃剂、0. 5?6份的阻燃协效剂、可选的3?15份的增韧剂以及可 选的0.5?3份的偶联剂， 优选所述阻燃剂为十溴二苯醚、十溴二苯乙烷或四溴双酚A中的一种或多种； 优选所述阻燃协效剂为三氧化二锑、锑酸钠或硼酸锌中的一种或多种； 优选所述增韧剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯共聚物、苯乙 烯-丁 二烯共聚物中的一种或多种； 优选所述偶联剂为硅烷偶联剂。
9. 一种导热聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、按重量份计，将15?50份的聚乙烯、4?35份的导热纤维，以及23?80份的导热 颗粒在混合机中进行混合，得到混合物； 52、将所述混合物进行挤出、牵引和造粒，得到所述导热聚乙烯复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括将按重量份 计的1?15份的增强纤维加入所述混合机中，与所述聚乙烯、所述导热纤维和所述导热颗 粒共同进行混合的步骤。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括将按重 量份计1?20份的阻燃剂和0. 5?6份的阻燃协效剂加入所述混合机中，与所述聚乙烯、 所述导热纤维、所述导热颗粒以及可选的所述增强纤维共同进行混合的步骤。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在将所述聚乙烯加 入所述混合机中之前，将所述聚乙烯和3?15份的增韧剂混合，并将混合物在-60?-20°C 温度下磨粉至粒径在150 μ m以下。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述导热颗粒包 括20?50份的膨胀石墨和3?30份的鳞片石墨；在将所述鳞片石墨加入所述混合机中之 前，还包括对所述鳞片石墨进行预处理的步骤；对所述鳞片石墨进行预处理的步骤包括： 按重量份计，将0. 3?2份的偶联剂溶于乙醇中，配制成浓度为1?3% wt的第一混合 溶液，将所述第一混合溶液喷洒至所述鳞片石墨中，并在混合机中混合，取出干燥后形成预 处理的所述鳞片石墨。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在将所述增强纤维 加入所述混合机中之前，还包括对所述增强纤维进行预处理的步骤；对所述增强纤维进行 预处理的步骤包括： 按重量份计，将0. 2?1份的偶联剂溶于乙醇中，配制成浓度为1?3% wt的第二混 合溶液，将所述第二混合溶液喷洒至所述增强纤维中，经干燥后，形成预处理的所述增强纤 维。
15.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，将所述混合物进行 挤出时，挤出温度为200?270°C。
【文档编号】C08L23/06GK104045896SQ201410253603
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】冷鸿飞, 刘昕, 李学灿, 陈亮亮, 孙文倩 申请人:北京华创瑞风空调科技有限公司