本发明属于高分子材料领域，设计一种复合高分子材料，尤其涉及一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料及其制备方法和应用。
背景技术：
热塑性弹性体tpe是一种具有橡胶的高弹性、高强度、高回弹性，又具有可注塑加工特征的材料。tpe具有环保无毒安全，硬度范围广，有着优良的着色性，触感柔软，耐候性，抗疲劳性和耐温性，加工性能优越，无须硫化等诸多优点，因此，作为一种新型的多功能环保材料，tpe具有非常广阔的应用市场，如家用电器、体育用品、汽车材料、医疗器械、建筑业和制鞋业等。目前，tpe材料一般是以热塑性弹性体氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)、热塑性塑料聚丙烯以及一些合适的填料为原料制备而得到的。sebs中弹性体嵌段已经完全氢化，使其具有优异的耐候性能，对臭氧、紫外线、电弧有良好的耐受性，也使其具有耐低温性能，在-60℃条件下仍保持良好的柔韧性等特点。虽然sebs具有优良的橡胶弹性、优异的耐候性、耐低温性、环保性能等，但以sebs作为弹性体材料单独是用存在一些问题，如sebs与传统的硫化橡胶相比，存在着刚性过大、压缩变形大、密度高等缺点；其使用温度上限及耐溶剂性、耐油性等方面通常都不及传统硫化橡胶等。此外，pp价格低廉，可降低sebs的成本。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料，所述散热材料具有优异的耐热和散热性能，且表征具有优异的力学与物理和防腐蚀及耐辐射性能、耐老化高弹性和阻燃防火性能，所述材料制备工艺简单，适合产业化、应用领域广泛
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料，所述散热材料的原料包括sebs、poe、pp、异戊二烯、甲基丙烯酸甲酯、碳化硅、金属纤维、纤维素纤维、填料、基础油和助剂。
作为本发明优选的技术方案，所述金属纤维与所述纤维素纤维的直径比为1:(0.5～2.0)，如1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1.0、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9或1:2.0等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述散热材料中添加金属纤维，同时添加纤维素纤维，将金属纤维与纤维素纤维混合，利用静电将两种纤维缠绕得到混合纤维，混合纤维同时具有优异的韧性以及延展性，二者协同作用提高了tpe材料的弹性，且在高温下由于温度对金属和纤维素纤维的影响小，在高温条件下tpe材料依旧保持原有的弹性，而金属纤维的引入使得所述tpe材料获得电磁屏蔽性能，使得所述tpe材料可以用作电缆料或者防电磁织物等，用作电或信号传输装置可以有效抑制能量的损耗。
本发明所述散热材料中复配有异戊二烯、甲基丙烯酸甲酯以及碳化硅，在制备过程中通过嵌段共聚与直接反应，复合于sebs、poe、pp等组分中，彼此协同作用，提高复合材料的散热性能以及机械性能。
作为本发明优选的技术方案，所述金属纤维包括铝纤维、镍纤维、铜纤维或钴纤维中任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述金属纤维的长度为100～500μm，如100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述金属纤维的半径为5～20μm，5μm、6μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm或20μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述纤维素纤维的长度为100～500μm，如100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述纤维素纤维的半径为3～15μm，如3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，按照质量份计所述散热材料的原料包括：
其中，sebs的质量份可以是25份、26份、28份、30份、32份、35份、38份、40份、42份、45份、48份或50份等，poe的质量份可以是2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份等，pp的质量份可以是5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份或15份等，异戊二烯的质量份可以是2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份等，甲基丙烯酸甲酯的质量份可以是2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份等，碳化硅的质量份可以是1份、2份、3份、4份或5份等，金属纤维的质量份可以是10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份等，纤维素纤维的质量份可以是5份、6份、7份、8份、9份或10份等，填料的质量份可以是10份、12份、15份、18份、20份、22份、25份、28份或30份等，基础油的质量份可以是30份、32份、35份、38份、40份、42份、45份、48份或50份等，助剂的质量份可以是2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份或5份等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述sebs的数均分子量为8000～12000，如8000、9000、10000、11000或12000等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述异戊二烯与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.5～2):1，如0.5:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1或2:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述填料包括滑石粉、金红石钛白粉或氧化硅中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：滑石粉和金红石钛白粉的组合、金红石钛白粉和氧化硅的组合、氧化硅和滑石粉的组合或滑石粉、金红石钛白粉和氧化硅的组合等。
作为本发明优选的技术方案，所述抗氧剂的质量份为1～3份，如1份、1.2份、1.5份、1.8份、2份、2.2份、2.5份、2.8份或3份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述偶联剂的质量份为0.5～1份，如0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述阻燃剂的质量份为0.5～1份，如0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010或抗氧剂1076中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：抗氧剂168和抗氧剂1010的组合、抗氧剂1010和抗氧剂1076的组合、抗氧剂1076和抗氧剂168的组合或抗氧剂168、抗氧剂1010和抗氧剂1076的组合等。
优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂kh550、kh560或kh570中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：硅烷偶联剂kh550和硅烷偶联剂kh560的组合、硅烷偶联剂kh560和硅烷偶联剂kh570、硅烷偶联剂kh570和硅烷偶联剂kh550的组合或硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560和硅烷偶联剂kh570的组合等。
优选地，所述阻燃剂为无卤红磷阻燃剂和/或锑系阻燃剂。
本发明目的之二在于提供一种上述tpe材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属纤维和纤维素纤维混合，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的预处理后的碳素纤维，与sebs、poe、pp、基础油和助剂混合，加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
所述制备方法先将纤维素纤维在高速搅拌下搅拌使其表面带有静电，再加入金属纤维，利用静电吸附作用，是的金属纤维与纤维素纤维缠绕而得到混合纤维。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述混合在搅拌下进行。
优选地，所述搅拌的转速为2000～5000rpm，如2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm或4500rpm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述搅拌的时间为1～3h，如1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h、2.8h或3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述混合在搅拌下进行。
优选地，所述搅拌的转速为800～1500rpm，如800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm或1500rpm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述搅拌的时间为20～60min，如20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中设置双螺杆挤出机的喂料段温度为170～190℃，如170℃、172℃、175℃、178℃、180℃、182℃、185℃、188℃或190℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中设置双螺杆挤出机的混合段温度为200～220℃，如200℃、202℃、205℃、208℃、210℃、212℃、215℃、218℃或220℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中设置双螺杆挤出机的挤出段温度为230～250℃，如230℃、232℃、235℃、238℃、240℃、242℃、245℃、248℃或250℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中设置双螺杆挤出机的机头温度为220～230℃，如220℃、221℃、222℃、223℃、224℃、225℃、226℃、227℃、228℃、229℃或230℃。
本发明目的之三在于提供一种上述散热材料的应用，所述散热材料应用于智能电子设备、新能源汽车或航空航天领域。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)发明提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料，所述散热材料具有优异的散热性能，传热系数可达2.30w/m·k以上；
(2)本发明提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料，所述散热材料具有优异的耐热性能，在200℃下，所述散热材料的断裂伸长率只下降了2％左右，电磁屏蔽性能可达120db；
(3)本发明提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料，所述散热材料具有优异的弹性，断裂伸长率高达1550％以上，且拉伸强度在32.5mpa以上，据对变形率在1.5％左右，防火性能可达v-0级；
(4)本发明提供一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述制备方法工艺简单适用于工业化生产。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将10份铝纤维和5份纤维素纤维在2000rpm下混合3h，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的混合纤维，与25份sebs、2份poe、5份pp、2份异戊二烯、2份甲基丙烯酸甲酯、1份碳化硅、30份基础油、10份滑石粉、1份抗氧剂1010、0.5份硅烷偶联剂kh550以及0.5份锑系阻燃剂在800rpm下搅拌混合60min，将混合料加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
其中，所述双螺杆挤出机喂料段的温度为170℃，混合段的温度为200℃，挤出段温度为230℃，机头温度为220℃；sebs的数均分子量为8000；铝纤维的长度为100μm，直径为5μm，纤维素纤维的长度为100μm，直径为5μm。
实施例2
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将20份镍纤维和10份纤维素纤维在5000rpm下混合1h，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的混合纤维，与50份sebs、10份poe、15份pp、10份异戊二烯、10份甲基丙烯酸甲酯、5份碳化硅、50份基础油、30份金红石钛白粉、3份抗氧剂168、1份硅烷偶联剂kh560以及1份无卤红磷阻燃剂在1500rpm下搅拌混合20min，将混合料加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
其中，所述双螺杆挤出机喂料段的温度为190℃，混合段的温度为220℃，挤出段温度为250℃，机头温度为230℃；sebs的数均分子量为12000；镍纤维的长度为500μm，直径为20μm，纤维素纤维的长度为500μm，直径为10μm。
实施例3
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将15份铜纤维和8份纤维素纤维在3500rpm下混合1.5h，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的混合纤维，与35份sebs、6份poe、10份pp、异戊二烯5份、甲基丙烯酸甲酯5份、碳化硅3份、40份基础油、20份氧化硅、2份抗氧剂1010、0.8份硅烷偶联剂kh570以及0.8份锑系阻燃剂在1000rpm下搅拌混合45min，将混合料加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
其中，所述双螺杆挤出机喂料段的温度为180℃，混合段的温度为210℃，挤出段温度为240℃，机头温度为235℃；sebs的数均分子量为10000；铜纤维的长度为300μm，直径为15μm，纤维素纤维的长度为300μm，直径为15μm。
实施例4
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将5份钴纤维、10份镍纤维和6份纤维素纤维在4000rpm下混合1.2h，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的混合纤维，与40份sebs、8份poe、12份pp、异戊二烯8份、甲基丙烯酸甲酯4份、碳化硅4份、45份基础油、滑石粉25份、1.5份抗氧剂1076、0.6份硅烷偶联剂kh550以及0.6份锑系阻燃剂在1100rpm下搅拌混合40min，将混合料加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
其中，所述双螺杆挤出机喂料段的温度为185℃，混合段的温度为215℃，挤出段温度为245℃，机头温度为225℃；sebs的数均分子量为10000；铜纤维的长度为200μm，直径为5μm，纤维素纤维的长度为200μm，直径为10μm。
实施例5
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将8铜份钴纤维、8份铝纤维和8份纤维素纤维在3000rpm下混合2h，得到混合纤维；
(2)将步骤(1)得到的混合纤维，与45份sebs、5份poe、8份pp、4份异戊二烯、8份甲基丙烯酸甲酯、3份碳化硅、35份基础油、15份滑石粉、1.2份抗氧剂1076、0.6份硅烷偶联剂kh550以及0.6份锑系阻燃剂在1000rpm下搅拌混合40min，将混合料加入到双螺杆挤出机中造粒成型，得到所述tpe材料。
其中，所述双螺杆挤出机喂料段的温度为155℃，混合段的温度为205℃，挤出段温度为235℃，机头温度为225℃；sebs的数均分子量为10000；铜纤维的长度为200μm，直径为5μm，纤维素纤维的长度为200μm，直径为10μm。
对比例1
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入金属纤维和纤维素纤维外，其他条件均与实施例3相同。
对比例2
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入金属纤维外，其他条件均与实施例3相同。
对比例3
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入纤维素纤维外，其他条件均与实施例3相同。
对比例4
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了使用的金属纤维的直径为20μm，纤维素纤维的直径为3μm外，其他条件均与实施例3相同。
对比例5
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了使用的金属纤维的直径为5μm，纤维素纤维的直径为15μm外，其他条件均与实施例3相同。
对比例6
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入异戊二烯外，其他条件均与实施例3相同。
对比例7
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入甲基丙烯酸甲酯外，其他条件均与实施例3相同。
对比例8
一种耐高温耐腐蚀tpe复合碳化硅散热材料的制备方法，所述方法除了不加入碳化硅外，其他条件均与实施例3相同。
对实施例1-5以及对比例1-8制备得到的tpe材料的耐热性、弹性、阻燃性和电磁屏蔽性能进行测试，结果如表1所示。
表1
通过表1的测试结果可以看出，实施例1-5制备得到的散热材料具有优异的散热性能，传热系数可达2.30w/m·k以上，优异的耐热性，在200℃下，所述tpe材料的断裂伸长率只下降了2％左右，具有优异的弹性，断裂伸长率高达1550％以上，且拉伸强度在32.5mpa以上，据对变形率在1.5％左右，且燃烧等级为v-0级，电磁屏蔽性能达到130db。对比例1为添加金属纤维和纤维素纤维，耐热性和弹性均有明显下降，且几乎无电磁屏蔽性能。对比例2和3分别未使用金属纤维和纤维素纤维，导致电磁屏蔽性能和耐热性能均出现明显下降，而对比例4和5金属纤维和纤维素纤维的直径比超出范围，导致电磁屏蔽性能和弹性明显下降。对比例6-8分别未使用异戊二烯、甲基丙烯酸甲酯以及碳化硅，导致散热材料的整体性能全面下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。