專利名稱：高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高導(dǎo)熱性聚合物復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，小型高精度電子設(shè)備、集成電路及電器外殼等的散熱配件廣泛采用了導(dǎo)熱高分子材料，并對導(dǎo)熱高分子材料的要求越來越高，需求也越來越多。導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究開發(fā)已成為功能性復(fù)合材料的研究開發(fā)熱點(diǎn)。聚合物材料的綜合性能較好，如具有較高的韌性、抗環(huán)境應(yīng)力開裂能力、較高的抗沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、優(yōu)良的成膜性及好的熱封性能等，且聚合物材料的價(jià)格低廉，也有一定的導(dǎo)熱性能。但與新興的微小電設(shè)備、集成電路和電器外殼等對其固定及包裝材料的散熱性要求相比，聚合物的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。因此需要對聚合物材料進(jìn)行復(fù)合改性，以增進(jìn)其導(dǎo)熱性，同時(shí)需要充分保持和利用聚合物材料自身的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诰酆衔锊牧咸畛涓男砸垣@得具有良好導(dǎo)熱性復(fù)合材料的導(dǎo)熱填料有很多種，其中六方氮化硼的膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率高，導(dǎo)熱系數(shù)約為33W/m.k，既是熱的良導(dǎo)體又是典型的絕緣體，且六方氮化硼與很多常規(guī)導(dǎo)熱填料相比具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，與石墨烯等新型導(dǎo)熱填料相比又具有價(jià)格相對低廉的優(yōu)勢。因此，六方氮化硼常作為導(dǎo)熱填料填充到聚合物材料中以大幅提高聚合物材料的導(dǎo)熱性。目前，采用氮化硼單獨(dú)填充聚合物以增強(qiáng)材料，所得到的聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性相對聚合物材料已得到顯著改善，并可具有一 定的綜合性能，如具有平衡的力學(xué)性能，或與其它常規(guī)導(dǎo)熱復(fù)合材料相t匕，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性等。盡管如此，采用六方氮化硼填充聚合物材料，在滿足某些高端高散熱器件的應(yīng)用上仍有不足，其主要問題在于，單位濃度的填充量對復(fù)合材料導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)仍有欠缺，導(dǎo)熱效率尚不夠高，為了達(dá)到一定的熱導(dǎo)率，需要的六方氮化硼填充量很高，成本增加的同時(shí)會較大幅度損失力學(xué)性能。如何進(jìn)一步提高聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，并保持良好的綜合性能，仍然是很多研究開發(fā)工作所面臨的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料及其制備方法，其特征之一是以聚合物材料為基體，以粉體六方氮化硼和碳纖維共同作為填充材料，協(xié)同構(gòu)成更為完善的三維連續(xù)的導(dǎo)熱通路，為熱量提供優(yōu)良的穩(wěn)定通道，達(dá)到高導(dǎo)熱的母的；特征之二是所采用六方氮化硼和碳纖維分別進(jìn)行特定的表面處理，以提高其余聚合物的相容性，使聚合物復(fù)合材料保持較好力學(xué)性能；特征之三是通過碳纖維的加入可降低氮化硼的填充量并進(jìn)而降低導(dǎo)熱復(fù)合材料的成本并獲得良好的力學(xué)性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:—種高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，它是由聚合物為基體，六方氮化硼和碳纖維為填充材料組成的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)。
所述的聚合物材料為高密度聚乙烯(HDPE)、尼龍6 (PA6)；本發(fā)明的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:I)改性六方氮化硼將六方氮化硼放入鈦酸酯偶聯(lián)劑的異丙醇溶液中，在80 120°C油浴鍋中攪拌I 3hr，真空抽濾后放入真空烘箱中干燥，將產(chǎn)物干燥至恒重；偶聯(lián)劑的用量為氮化硼用量的0.5 3% ；2)改性碳纖維將碳纖維放入等離子體處理裝置中，使用Ar、空氣或CO2任意一種等離子體處理，處理電壓20 60v,處理時(shí)間為3 15min ；3)聚合物/六方氮化硼/碳纖維復(fù)合材料的制備按照質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取100份的聚合物，25 100份步驟I)的改性的六方氮化硼和5 20份步驟2)的改性碳纖維共混。 六方氮化硼的平均粒徑為I 50 μ m，優(yōu)選的平均粒徑為9.25 μ m。碳纖維的單絲直徑為I 100 μ m，優(yōu)選的碳纖維單絲直徑為7 10 μ m，長徑比約為 1000。本發(fā)明提出，在六方氮化硼填充改性聚合物材料的體系中引入碳纖維，在氮化硼均勻分散在聚合物基體中作為良導(dǎo)熱材料的基礎(chǔ)上，利用碳纖維在材料體系中的架橋作用，進(jìn)一步改善和強(qiáng)化在復(fù)合材料內(nèi)形成的導(dǎo)熱通道，顯著提高材料的導(dǎo)熱性的同時(shí)，可通過碳纖維的加入降低六方氮化硼的填充量，從而降低導(dǎo)熱復(fù)合材料的綜合成本。為解決六方氮化硼和碳纖維(表面含有大量的極性基團(tuán))與聚合物材料之間的相容性問題。本發(fā)明高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性；聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能良好。這種高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料在導(dǎo)熱高分子領(lǐng)域及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有廣闊的前景。


圖1實(shí)施例1聚合物復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片；圖2實(shí)施例2聚合物復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)驗(yàn)中使用的總的物料的重量為55 60g。實(shí)施例1稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.1g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到80°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取2.2g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入氬氣，20v電壓放電處理3min，然后放置在空氣中l(wèi)Omin。稱取44g高密度聚乙烯(HDPE)，Ilg改性的六方氮化硼粉末，2.2g改性碳纖維放入XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min，制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表I所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到2.104ff/m.k，所得該導(dǎo)熱復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片如圖1所示。
實(shí)施例2
稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.2g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到100°c，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取3.3g臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入空氣，40v電壓放電處理5min，然后放置在空氣中8min。稱取38g高密度聚乙烯(HDPE)，14g改性的六方氮化硼粉末，3.3g改性的碳纖維放入XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min,制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表I所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到2.589ff/m.k，所得該導(dǎo)熱復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片如圖2所示。
實(shí)施例3
稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.4g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到100°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取4g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入氬氣，60v電壓放電處理8min，然后放置在空氣中IOmin。稱取33g高密度聚乙烯(HDPE)，18g份改性的六方氮化硼粉末，4g改性的碳纖維放入XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min,制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表I所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到3.257ff/m.k。
實(shí)施例4
稱取30g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.9g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到80 120°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取5.4g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離 子體處理器中，通入C02，60v電壓放電處理15min，然后放置在空氣中5min。稱取27g高密度聚乙烯(HDPE)，27g改性的六方氮化硼粉末，5.4g改性的碳纖維放入XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min,制得共混物,用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率,試樣直徑為30mm,厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表I所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到3.859ff/m.k。
實(shí)施例5
稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.1g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到80°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取2.2g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入氬氣，20v電壓放電處理3min，然后放置在空氣中5min。稱取44g尼龍6 (PA6), Ilg改性的六方氮化硼粉末,2.2g改性的碳纖維放Λ XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min，制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表2所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到1.613ff/m.k。
實(shí)施例6
稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.2g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到100°c，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取3.3g臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入氬氣，40v電壓放電處理8min，然后放置在空氣中5min。稱取38g尼龍6 (PA6), 14g改性的六方氮化硼粉末,3.3g改性的碳纖維放Λ XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min，制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表2所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到2.046ff/m.k。實(shí)施例7稱取20g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.4g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到120°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取4g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入空氣，60v電壓放電處理lOmin，然后放置在空氣中IOmin。稱取33g尼龍6 (PA6), 18g改性的六方氮化硼粉末,4g改性的碳纖維放入XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min，制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表2所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到2.663ff/m.k。實(shí)施例8稱取30g六方氮化硼(BN)粉末放入500mL圓底燒瓶中，然后準(zhǔn)確稱取0.9g鈦酸酯偶聯(lián)劑，用異丙醇溶解后加入燒瓶中，當(dāng)溫度升到120°C，開動電磁攪拌裝置恒溫?cái)嚢?hr。之后將混合物真空抽濾，濾餅在真空烘箱中烘干，儲存在干燥器中備用。取5.4g的臺麗T35型碳纖維放入CTP-2000K等離子體處理器中，通入C02，60v電壓放電處理15min，然后放置在空氣中IOmin。稱取27g尼龍6 (PA6)，27g改性的六方氮化硼粉末，5.4g改性的碳纖維放Λ XSS-30型轉(zhuǎn)矩流變儀 中熔融共混，混煉溫度190°C，混煉時(shí)間15min，轉(zhuǎn)速為30r/min，制得共混物，用DRL導(dǎo)熱儀測定其熱導(dǎo)率，試樣直徑為30mm，厚度為3mm。熱導(dǎo)率及力學(xué)性能如表2所示，其中熱導(dǎo)率達(dá)到3.209ff/m.k。表1.實(shí)施例1、2、3、4聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能
m-楊氏模量斷裂強(qiáng)度熱導(dǎo)率
(MPa)CN/mm2)(W/m.K)
HDPE46534.020.303
劣例 IΓ 30.582.104
實(shí)例 212833 12.589
實(shí)例 3162928J3.257
實(shí)例 4153831.993.859表2.實(shí)施例5、6、7、8聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，其特征在于:它是由聚合物為基體，六方氮化硼和碳纖維為填充材料組成的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，其特征在于所述的聚合物材料為高密度聚乙烯或尼龍6。
3.如權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下: O改性六方氮化硼 將六方氮化硼放入鈦酸酯偶聯(lián)劑的異丙醇溶液中，在80 120°C油浴鍋中攪拌I 3hr，真空抽濾后放入真空烘箱中干燥，將產(chǎn)物干燥至恒重；偶聯(lián)劑的用量為氮化硼用量的0.5 3% ； 2)改性碳纖維 將碳纖維放入等離子體處理裝置中，使用Ar、空氣或CO2任意一種等離子體處理，處理電壓20 60v，處理時(shí)間為3 15min ； 3)聚合物/六方氮化硼 /碳纖維復(fù)合材料的制備 按照質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取100份的聚合物，25 100份步驟I)的改性的六方氮化硼和5 20份步驟2)的改性碳纖維共混。
4.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所采用的六方氮化硼的粒徑為I 50μπι。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所采用的碳纖維單絲直徑I 100μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱性聚合物復(fù)合材料及其制備方法。它是由聚合物為基體，六方氮化硼和碳纖維為填充材料組成的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)。在六方氮化硼填充改性聚合物材料的體系中引入碳纖維，在氮化硼均勻分散在聚合物基體中作為良導(dǎo)熱材料的基礎(chǔ)上，利用碳纖維在材料體系中的架橋作用，進(jìn)一步改善和強(qiáng)化在復(fù)合材料內(nèi)形成的導(dǎo)熱通道，顯著提高材料的導(dǎo)熱性的同時(shí)，可通過碳纖維的加入降低六方氮化硼的填充量，從而降低導(dǎo)熱復(fù)合材料的綜合成本。解決六方氮化硼和碳纖維與聚合物材料之間的相容性問題。本發(fā)明高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性；聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能良好。這種高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料在導(dǎo)熱高分子領(lǐng)域及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有廣闊的前景。
文檔編號C08K3/04GK103172924SQ20131013489
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者馬桂秋, 袁松, 盛京, 鄧雄伍, 李景慶 申請人:天津大學(xué)