CN102311567B - 导热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子/无机纳米复合材料的领域，特别涉及能够形成两相结构的两种聚合物的共混物作为基体，添加无机纳米导热填料制备的导热复合材料及其制备方法。将占导热复合材料总量的质量百分数为40％～88％的聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯，质量百分数为1.5％的润湿剂以及质量百分数为0.5％的抗氧剂在混合机中搅拌混合均匀；然后向上述的混合物中加入占导热复合材料总量的质量百分数为10％～58％的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀；将混合均匀的原料经过螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引和切粒，得到所述的导热复合材料；其中：聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量比为1∶1。本发明的材料具有低填充、高热导率和良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子/无机纳米复合材料的领域，特别涉及能够形成两相结构的两种聚合物的共混物作为基体，添加无机纳米导热填料制备的导热复合材料及其制备方法。
背景技术
科学技术的发展，越来越多地对高分子材料提出了功能性要求。高分子材料由于具有高电阻系数，优良的加工性，质轻和低价格而被经常作为与电有关的辅助材料来使用。目前由于器件功能集成化和高速化，电能输送的远距离，单位时间和体积产生的热量越来越多，热量的有效排出已经成为一个亟待解决的问题，原来低热导率的高分子材料已经不能满足实际的需要。因此需要提高聚合物的热导率以适应科技的发展对高分子材料的导热要求。
向高分子材料中填充导热无机填料制备填充型导热高分子复合材料是目前导热高分子材料的主要研究方向。复合材料的热导率与填料的体积填充分数有密切关系，当填充量比较低时，导热填料孤立地分布于高分子基体中，此时复合材料的热导率随填料体积填充分数的增加提高不明显；当导热填料增加到一定的体积分数时，导热填料间开始相互接触，形成导热网络，此时复合材料的热导率开始迅速增加，这时体积分数被称为导热复合材料的导热逾渗值；当填料的体积分数大于逾渗值时，复合材料的热导率随填料体积填充分数的增加而急剧上升，此时复合材料的热导率得到明显的改善。据以上分析使导热复合材料的热导率明显提高，填料的体积填充分数必须高于逾渗值，但由于无机填料的大量填充，复合材料的力学性能下降明显。Luo使用SiC填充环氧树脂，当SiC的质量百分数为50％时，复合材料的热导率为0.7152W/m.K，但是冲击强度和弯曲强度下降非常明显(Luo YJ；Dang J；Qi HY；LiHR Polymer-Plastics Technology and Engineering 2009，48，877)。Xu使用AlN晶须和颗粒混合填充聚四氟乙烯，当填充量为60vol％时，复合材料的热导率为11.51W/m.K，拉伸强度却从52MPa下降到30MPa(Xu YS；Chung DDL；Mroz C Composites Part a-Applied Science and Manufacturing 2001，32，1749)。因此提高导热高分子复合材料的热导率，提高或者保持聚合物优异的力学性能对于导热复合材料的实际应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种热导率高，力学性能优异的导热复合材料。
本发明的目的之二是提供一种导热复合材料的制备方法。
聚乙烯(PE)和聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)在混合时，由于极性的不同形成相互贯穿的两相共连续结构。本发明采用PE和EVA的共混物作为导热复合材料的基体，导热无机填料纳米氧化铝添加到PE和EVA的共混物中以后，纳米氧化铝根据聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的极性和粘度的不同，选择富集在粘度较低，极性与其相近的聚乙烯-醋酸乙烯酯相中。纳米氧化铝的选择性分布使纳米氧化铝能够在较低的体积填充分数时相互接触形成导热网络，因此在较低纳米氧化铝的填充分数时具有更高的热导率；纳米氧化铝的加入不仅提高了复合材料热导率，还使得复合材料的力学性能明显提高。
本发明的导热复合材料的组成为：
聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量百分数为40％～88％(优选质量百分数为49％)；
导热填料纳米氧化铝的质量百分数为10％～58％(优选质量百分数为49％)；
抗氧剂的质量百分数为0.5％；
润湿剂的质量百分数为1.5％；
其中：聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量比为1∶1。
所述的抗氧剂是四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
所述的润湿剂是液体石蜡。
本发明的导热复合材料的制备方法为：将占导热复合材料总量的质量百分数为40％～88％的聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯(两种聚合物的质量比为1∶1)，质量百分数为1.5％的润湿剂以及质量百分数为0.5％的抗氧剂在混合机中搅拌混合均匀；然后向上述的混合物中加入占导热复合材料总量的质量百分数为10％～58％的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀；将混合均匀的原料经过螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引和切粒，得到所述的导热复合材料。
所述的螺杆挤出机是双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。
具体实施方式
实施例1
称取220g聚乙烯(PE)，220g聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；向其中加入50g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品1)。
以单独使用PE作为基体复合材料的作为热导率对照。称取440g PE，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；向其中加入50g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品2)。
以未加入纳米氧化铝的PE和EVA的共混物作为力学性能对照。称取245gPE，245g EVA，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到PE和EVA的共混物(样品3)。
导热性能测试采用美国EKO公司制造的HC-110型热导率仪；
冲击强度测试采用深圳市铭宇仪器设备有限公司MY-8211悬臂梁冲击试验机，执行标准为ASTM D256；
拉伸强度测试采用美国INSTRON公司制造的3365万能材料试验机，执行标准为ASTM D638。
制备得到复合材料的热导率和力学性能数值见表1：
表1
实施例2
称取100g聚乙烯(PE)，100g聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；向其中加入290g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品4)。
以单独使用PE作为基体复合材料的作为热导率对照。称取200g PE，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；向其中加入290g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品5)。
以样品3作为力学性能对照。
导热性能测试采用美国EKO公司制造的HC-110型热导率仪；
冲击强度测试采用深圳市铭宇仪器设备有限公司MY-8211悬臂梁冲击试验机，执行标准为ASTM D256；
拉伸强度测试采用美国INSTRON公司制造的3365万能材料试验机，执行标准为ASTM D638。
制备得到复合材料的热导率和力学性能数值见表2：
表2
实施例3
称取122.5g聚乙烯(PE)，122.5g聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀；向其中加入245g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品6)。
以单独使用PE作为基体复合材料的作为热导率对照。称取245g PE，加入7.5g润湿剂，2.5g的抗氧剂在混合机中混合均匀。向其中加入245g的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀。将混合均匀物料经过双螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引、切粒制备得到导热复合材料(样品7)
以样品3作为力学性能对照。
导热性能测试采用美国EKO公司制造的HC-110型热导率仪；
冲击强度测试采用深圳市铭宇仪器设备有限公司MY-8211悬臂梁冲击试验机，执行标准为ASTM D256；
拉伸强度测试采用美国INSTRON公司制造的3365万能材料试验机，执行标准为ASTM D638。
制备得到样品3、4的热导率和力学性能数值见表3：
表3
导热性能和力学性能小结
使用PE和EVA作为基体的导热复合材料与使用PE作为基体的复合材料，在相同的氧化铝填充量时，具有更高的热导率。样品1、4、6的热导率分别比样品2，5，7的热导率提高了13.0％，20.8％，20.0％。使用PE和EVA作为基体的复合材料力学性能在氧化铝质量百分数为49％时达到最佳(样品6)，冲击强度、拉伸强度、弹性模量分别比PE和EVA的共混物相对应的值提高了25.9％，7.0％，54.0％。
Claims (5)
1.一种导热复合材料，其特征是，所述的导热复合材料的组成为：
聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量百分数为40％～88％；
纳米氧化铝的质量百分数为10％～58％；
抗氧剂的质量百分数为0.5％；
润湿剂的质量百分数为1.5％；
其中：聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量比为1∶1。
2.根据权利要求1所述的导热复合材料，其特征是：所述的聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量百分数为49％；纳米氧化铝的质量百分数为49％；抗氧剂的质量百分数为0.5％；润湿剂的质量百分数为1.5％；
其中：聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量比为1∶1。
3.根据权利要求1或2所述的导热复合材料，其特征是：所述的抗氧剂是四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；所述的润湿剂是液体石蜡。
4.一种根据权利要求1所述的导热复合材料的制备方法，其特征是：
将占导热复合材料总量的质量百分数为40％～88％的聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯，质量百分数为1.5％的润湿剂以及质量百分数为0.5％的抗氧剂在混合机中搅拌混合均匀；然后向上述的混合物中加入占导热复合材料总量的质量百分数为10％～58％的纳米氧化铝，在混合机中搅拌混合均匀；将混合均匀的原料经过螺杆挤出机熔融挤出、冷却、牵引和切粒，得到所述的导热复合材料；
其中：聚乙烯和聚乙烯-醋酸乙烯酯的质量比为1∶1。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的抗氧剂是四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；所述的润湿剂是液体石蜡。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121226 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |