用于led灯具的高导热性复合材料、导热填料及生产设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于LED灯具的高导热性复合材料、导热填料及生产设备，表面偶联剂溶液：无机导热填料按质量份数比0.3～0.9∶100～300混合，表面偶联剂在溶液中的浓度为10～25wt.%，溶液的溶剂为水-丙酮溶液，水：丙酮为5～10:90～95，无机导热填料的长径比15～100，高导热性复合材料由占总重量59.5～64.5%的脂肪族聚酰胺、35～40%上述的改性导热填料以及0.5%的润滑剂组成，该复合材料的热传导率在10～12W/mk，制备上述的复合材料的双螺杆挤出机在剪切段用2～3组斜型齿形盘取代捏合块，挤出段用2～3组直型齿形盘取代输送块，本发明的复合材料大大降低使用绝缘塑料时产生的热梯度，减少到接近金属的数值，能够很好的满足LED灯具的散热需求，内外温差非常小。
【专利说明】用于LED灯具的高导热性复合材料、导热填料及生产设备
[【技术领域】]
[0001]本发明涉及导热性复合材料、导热填料及生产设备，具体涉及用于LED灯具的高导热性复合材料、导热填料及生产设备。
[【背景技术】]
[0002]随着国家把环保节能作为国家的意志来实施，鼓励市民使用大功率LED灯取代传统的照明灯具(诸如:白炽灯、卤素灯、荧光灯等等)，为充分利用现有的照明基础设施，新型LED灯具应运而生；当前随着越来越多的新型LED灯具的开发，设计人员与制造商正在探寻一种替代材料，这种材料与传统金属相比，能够带来更大的设计自由度且重量更轻，尤其是在LED灯罩方面。
[0003]塑料是一种合理的选择，然而这对其性能的要求更高，对LED来说，由于散热是一个关键性的问题，因此LED灯罩所适用的塑料必须具有更高的散热能力，有效耗散LED灯所产生的热量，·并保持较低的LED结点温度，若热量不能及时耗散，将会影响LED灯的功效和使用寿命；此外此类导热塑料还应该具有高强度的机械性能，并符合IEC和UL安全标准的阻燃性要求。
[0004]从目前国内公开的专利文献来看，国内对导热塑料的研究大多只关注通过简单的基础树脂组合和优选合适的导热填料进行共混合金来获得较高的导热系数(热传导率)，诸如:国内专利CN101717579B介绍了 “聚苯硫醚和聚酰胺以及导热填料组合进行共混合金，可以制成导热性优异的复合材料”，但文献中没有系统阐述为何聚苯硫醚和聚酰胺组合会提高组合物的导热系数(热传导率)？国内专利CN102174254A介绍了“高导热绝缘工程塑料及其制备方法”，笼统地组合了各种各样的组分和配比，根本没有系统地论述各种组分和配比及其制备方法的合理性和科学性；国内专利CN102618029A介绍了“一种高抗冲击聚己内酰胺导热绝缘塑料及其制备方法”，用了较大篇幅介绍了对导热填料的表面处理和设备的多喂料系统，却没有详细阐述此制备方法和配比组分的合理性所依托的理论依据。综上所述，究其原因在于国内对导热塑料的导热机理研究还不够深入，大多数文献只是停留在对原有文献中的组分配比和制备方法做出简单的调整或改进上，导致目前国内的导热塑料的开发和应用严重滞后，特别是在LED灯具上替代金属铝制灯罩，国内制造的导热塑料几乎是空白，严重依赖国外为数不多的3-4家知名跨国公司。
[0005]目前，国内外公认的导热塑料的最高热传导率为25W/mK左右，大大低于金属的100W/mk的热传导率。热塑性塑料是热不良导体，其典型的热传导率仅为λ=0.25W/mK，这与热传导率高达200W/mK的优良热导材料一金属和陶瓷形成了强烈对照。
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【发明内容】
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[0006]为了解决现有技术中的上述不足和缺陷，本发明提供一种用于LED灯具的高导热性复合材料、导热填料及生产设备。
[0007]为实现上述目的，首先发明一种改性导热填料，其特征在于表面偶联剂溶液:无机导热填料按质量份数比0.3?0.9: 100?300混合，所述的表面偶联剂在溶液中的浓度为10?25wt.%，所述溶液的溶剂为水-丙酮溶液，水:丙酮质量比为5?10:90?95，所述的无机导热填料的长径比在15?100。
[0008]所述的无机导热填料为氧化物、氮化物或碳化物中的一种或多种。
[0009]所述的氧化物为氧化铝或氧化镁；所述的氮化物为氮化铝或氮化硅；所述的碳化物为碳化硅。
[0010]所述的无机填料为纯度99.98%的碳化硅，粒径为0.2 i! m，长径比L/D=46，热传导率为 270w/mk。
[0011]所述的表面偶联剂为硅系偶联剂或钛系偶联剂。
[0012]上述改性导热填料的制备方法由以下步骤组成:
[0013]I)配制水-丙酮溶液,水:丙酮质量配比为5?10:90?95 ；
[0014]2)将表面偶联剂溶于水-丙酮溶液中，配制成钛系偶联剂浓度为10?25wt.%的偶联剂-水-丙酮溶液；
[0015]3)利用具有加温功能的高速搅拌机，采用喷雾方法，将偶联剂-水-丙酮溶液加入到导热填料中，按照钛系偶联剂与导热填料质量份数比为0.3?0.9:100?300混合。具体步骤:将配制好的偶联剂-水-丙酮溶液均分5?10次喷雾添加，每次喷雾添加后将导热填料高速搅伴10?20min，搅拌机的搅拌速度1200?2000转/分，搅拌温度为80?120°C，从而得到改性导热填料。
[0016]用上述的改性导热填料，进一步发明一种用于LED灯具的高导热性复合材料，由占总重量59.5?64.5%的脂肪族聚酰胺、35?40%上述的改性导热填料以及0.5%的润滑剂组成，该复合材料的热传导率X在10?12W/mk之间。
[0017]该复合材料的热传导率入优选为11.2?11.7W/mk。
[0018]所述的脂肪族聚酰胺为PA6或PA66，优选为端酰胺基团含量为53mmol/g的PA6。
[0019]最后，本发明设计了一种制备上述的复合材料的双螺杆挤出机，常规的螺杆上设有预热段、塑化段、剪切段和挤出段，剪切段上设有角度为60°或90°的捏合块，挤出段上设有小导程或大导程的输送块，本发明在剪切段上用2?3组斜型齿形盘取代所述的捏合块，挤出段上用2?3组直型齿形盘取代所述的输送块。
[0020]本发明的复合材料所具有的热传导率可以大大降低使用绝缘塑料时产生的热梯度，减少到接近金属(铝)的水平，能够很好地满足LED灯具的散热需求，内外温差非常小；本发明改良的双螺杆挤出机能够为本设计方案制备高导热性复合材料提供更高的剪切强度，使分散相(碳化硅)均匀地分散在连续相(PA6)体系中，并形成了稳定的导热网链，同时具有很好的堆积致密度，不会出现局部堆积或表面堆积的现象。
[【专利附图】
【附图说明】]
[0021]图1:填入量不超过IOiim (小粒子，图中标记为方点)及大于100 ii m (大粒子，图中标记为圆点)近似球形的Al2O3 (氧化铝)粒子的PA6复合材料的热传导率；
[0022]图2:PA6复合材料的断裂伸长率与细Al2O3 (图中标记为方点)或粗Al2O3 (图中标记为圆点)粒子填料体积分数的关系；
[0023]图3:通过哈尔平-蔡公式(Halpin-Tsai Equation)按A 2=200W/mK的单向纤维填料和图中插入的长度-直径比计算复合材料的热传导率。
[0024]图4:热传导率与低长径比粒子(大AL2O3粒子)和高长径比粒子(碳纤维)的填料体积分数的关系；
[0025]图5:通过厚度为d、热传导率为λ的聚合物材料板的单向热流示意图；
[0026]图6:通过聚合物材料板的单向热流的温度梯度与热传导率关系图。板厚和热流量见图例；
[0027]图7 =LED灯座的理想模型示意图；
[0028]图8:计算得出的全铝配置和热传导塑料圆筒-铝盘配置之间的温度差值(同样采用图7图例中提及的默认条件)；
[0029]图9:铝盘的最高温度对圆筒的热传导率；
[0030]图10 =FEM计算的全铝制LED灯座温度分布(单位:°C );
[0031 ] 图11:FEM计算的低热传导率塑料LED灯座温度分布(单位:°C );
[0032]图12 =FEM计算的实施例4复合材料的LED灯座温度分布(单位:°C )。
[【具体实施方式】]
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。本申请中的生产设备都是本领域的常用设备，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]热塑性塑料是热不良导体，其典型的热传导率仅为λ =0.25ff/mK,这与热传导率高达200W/mK的优良热导材料一金属和陶瓷形成了强烈对照。若需制造导热塑料，常用的方法是通过共混复合技术在热塑性塑料基体中添加导热填料，因此有必要对这种共混复合技术、高导热性塑料替代金属材料的适用性作出理论上的模拟分析:
[0035]1、导热塑料的基本性能和导热填料对复合材料的热传导率的影响
[0036]为通过添加导热填料获得明显提高的热传导率，填料粒子必须紧密堆积，换言之，必须填充热塑性基体材料逼近填料粒子的随机紧密填充阈值(RCPT) (RCPT=以随机插入方式填充基体材料直至达到填料粒子的最大容积率)，该阈值可以通过哈尔平-蔡公式(Halpin-TsaiEquation)及刘易斯-尼尔森(Lewis-Nielsen)修正公式准确表述的，见图1o
[0037]因此，复合材料的热传导率提高幅度取决于与RCPT值的接近程度，使热传导沿着多个并行的粒子到粒子的路径进行。这与通过往绝缘热塑性基体材料中添加导电填料达到电导率构成强烈对比，后者取决于是否超过渗滤阀值(PT);由于PT只受首次建立单个粒子到粒子的路径的制约，PT阀值通常远远低于RCPT值，可以想象，若要使热传导性显著增强，就必须具有与随机紧密填充阈值有关的多个粒子到粒子的路径。
[0038]图1显示了通过实验获得的且填入量不超过10 μ m(小粒子，图中标记为方点)及大于100 μ m (大粒子，图中标记为圆点)近似球形的Al2O3 (氧化铝)粒子的PA6复合材料的热传导率。细实线分别表示著名的串行分布(底部线)和并行分布(顶部线)边界极限，虚线和点画线分别是λ 1=0.25ff/mK基体中填充λ 2=25ff/mK球体的哈尔平-蔡公式(Halpin-Tsai
Equation)及 Lewis-Nielsen 修正公式的计算结果，RCPT: i 7jar=0.64o
[0039]众所周知，添加刚性填料会提高物料脆性，因此通过逼近随机紧密填充阈值实现复合材料的热传导性，必须在复合材料的热传导性和韧性之间达到有效的平衡，这种平衡处决于复合材料的最终应用领域的性能要求。
[0040]图2中显示了添加了 Al2O3填料后，PA6复合材料的断裂伸长率大大降低。
[0041]但是从理论上说，可以通过采用具有较大的长径比的填料粒子来提高热传导率同时保持材料较高的韧性，这有助于在较低的填料体积分数下实现较高的热传导率【见图3:通过哈尔平-蔡公式(Halpin-Tsai Equation)进行的估算】,从而在热传导率不变的情况下使物料的韧性更高。此外，图4中实验结果显示，填入球形Al2O3粒子(图中标记为方点)与纤维碳粒子(图中标记为圆点)相比，复合材料的热传导率有较大差异。
[0042]从图3和图4可以清楚地看到，主要受制于目前市场上缺少大于100的高长径比的导热填料的供应，因此复合材料的热传导率设计能力只能停留在25W/mK左右。由于λ =25W/mK远低于金属通常的热传导率λ =100ff/mK,因此必须考虑导热塑料代替金属的适用性。
[0043]2、高导热性塑料替代金属材料的适用性
[0044]A、单向(ID)热流:传导限制与对流限制
[0045]图5中，厚度d、热传导率λ的聚合物材料板一面暴露在每单位面积热流量为[W/m2]的热流中，并在另一面受温度为T&的空气对流冷却。
[0046]众所周知，通过聚合物材料板的温度梯度Λ T可采用下式计算:
[0047]
【权利要求】
1.一种改性导热填料，其特征在于:将表面偶联剂溶液:无机导热填料按质量份数比0.3?0.9: 100?300混合，所述的表面偶联剂在溶液中的浓度为10?25wt.%，所述溶液的溶剂为水-丙酮溶液，水:丙酮质量比为5?10:90?95，所述的无机导热填料的长径比:15 ?100。
2.如权利要求1所述的改性导热填料，其特征在于所述的无机导热填料为氧化物、氮化物或碳化物中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的改性导热填料，其特征在于所述的氧化物为氧化铝或氧化镁；所述的氮化物为氮化铝或氮化硅；所述的碳化物为碳化硅。
4.如权利要求1所述的改性导热填料，其特征在于所述的无机填料为纯度99.98%的碳化硅，粒径为0.2 μ m，长径比L/D=46，热传导率为270w/mk。
5.如权利要求1所述的改性导热填料，其特征在于所述的表面偶联剂为硅系偶联剂或钛系偶联剂。
6.一种改性导热填料的制备方法，其特征在于由以下步骤组成: 配制水-丙酮溶液，水:丙酮质量配比为5?10:90?95 ; 将表面偶联剂溶于水-丙酮溶液中，配制成钛系偶联剂浓度为10?25wt.%的偶联剂-水-丙酮溶液； 利用具有加温功能的高速搅拌机，采用喷雾方法，将偶联剂-水-丙酮溶液加入到导热填料中，按照钛系偶联剂与导热填料质量份数比为0.3?0.9:100?300混合，偶联剂-水-丙酮溶液均分5?10次添加，每次添加后将导热填料高速搅伴10?20min，搅拌机的搅拌速度1200?2000转/分，搅拌温度为80?120°C，从而得到改性导热填料。
7.一种用于LED灯具的高导热性复合材料，其特征在于由占总重量59.5?64.5%的脂肪族聚酰胺、35?40%权利要求1所述的改性导热填料及0.5%的润滑剂组成，该复合材料的热传导率λ在10?12W/mk之间。
8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于该复合材料的热传导率λ为11.2?11.7ff/mk0
9.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于所述的脂肪族聚酰胺为端酰胺基团含量为 53mmol/g 的 PA6。
10.一种制备权利要求7所述的复合材料的双螺杆挤出机，螺杆上设有预热段、塑化段、剪切段和挤出段，剪切段上设有角度为60°或90°的捏合块，挤出段上设有小导程或大导程的输送块，其特征在于所述的剪切段上设有2?3组斜型齿形盘取代所述的捏合块，挤出段上设有2?3组直型齿形盘取代所述的输送块。
【文档编号】B29C47/60GK103435847SQ201310393479
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】叶楚祥 申请人:上海梵和聚合材料有限公司