CN103687910A - 包含沥青碳纤维的聚酰胺复合物 - Google Patents

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Abstract

公开了一种导热聚酰胺复合物。该复合物包括聚酰胺基质，以及沥青基碳纤维、氮化硼和有机次膦酸酯阻燃剂分散在该基质之中。该复合物可挤出或模塑成散热制品。

Description

包含沥青碳纤维的聚酰胺复合物
优先权要求
本申请要求于2011年7月15日提交的美国临时专利申请登记第61/508,118号（代理人案卷号1201111）的优先权，该文通过参考结合于此。
发明领域
本发明涉及导热和阻燃的热塑性聚合物复合物。
发明背景
现代社会任意通电产品的效率都是不理想的。因此，消耗能量时伴随着热量的产生。来自通电产品的散热是常见的工业工程考虑因素。电子产品特别易于暴露于过量的热量。个人电脑包括风扇，通过对流散热来使敏感的电子部分保持在或接近室温。
导热聚合物复合物也通过传导来散热。这些复合物成形为更常用金属制成的零件，如用作散热片、暖气片等以及其它物体。通常使用氧化铝（矾土）作为热塑性聚合物基质的添加剂，来用作散热的载体。但矾土是一种特别有磨蚀作用的材料，这会损坏制造设备如复合挤出机的内表面。
美国专利No.7,902,283巴贝(Barber)等公开了使用硫化锌的导热聚酰胺复合物。
发明概述
本领域所需的是一种导热聚酰胺复合物，其具有热导率、电学表面电阻率和阻燃性。
本发明通过为聚酰胺树脂提供下述功能添加剂解决了这个问题：氮化物和沥青基碳纤维的组合作为热学填料，以及非卤化有机次膦酸酯(phosphinate)作为阻燃剂。
因此，本发明的一方面是一种导热聚合物复合物，其包括聚酰胺、沥青基碳纤维、氮化硼、和非卤化有机次膦酸酯，其中使用ASTM E1461标准测量时，该复合物的面内热导率大于8W/mK。
下面将探索本发明的特征。
发明实施方式
聚酰胺
任意聚酰胺都是用于本发明的复合物的备选者，不管是从石化还是从生物来源获得的。
最常用的聚酰胺是聚酰胺6（也称为尼龙6（nylon））。如下文的实施例所示，可使聚酰胺6树脂变成导热的，使用ASTM E1461标准测量的热导率大于8W/mK。
适于用作本发明的复合物的基质的其它备选聚酰胺（PA）的非限制性例子包括无定形和半结晶的聚酰胺、脂肪族和芳香族聚酰胺。除了PA6以外，脂肪族聚酰胺的示例还包括：PA11;PA12;PA4,6;PA6,6;PA10,10;PA12,12;共聚酰胺；及其组合。芳香族聚酰胺的示例包括PA6I;PA6T;PA9T;PA10T;PA6I/66;PA6T/66;PA6I/6T;共聚酰胺；及其组合。无须过多实验，基于对成本、制造技术、物理性质、化学性质等的考虑，本领域技术人员可选择聚酰胺基质。
氮化硼
可用于复合物的一种潜在导热填料是氮化硼，已有市售的立方氮化硼或六方氮化硼。如本领域技术人员所知，六方氮化硼的热导率比立方氮化硼的高，因此是优选的。此外，六方氮化硼有助于得到高表面电阻率。
沥青基碳纤维
本发明中使用了沥青基碳纤维。如下文的实施例所示，沥青基碳纤维优于合成或膨胀形式的石墨。
沥青基碳纤维还优于来自聚丙烯腈（PAN）的碳纤维，因为本发明的复合物的应用要求电阻率，而不是电导率。沥青基碳纤维是因其电阻率而为人所知的。
阻燃剂
聚合物复合物受益于包括阻燃功能添加剂。工业中优选的使用非卤化阻燃剂。任意无卤阻燃剂都是用于该复合物的备选者，但如下文的实施例所示，选择有机次膦酸酯作为阻燃剂不会减损该复合物的性能性质，尤其是表面电阻率和热导率。
可选的其它添加剂
本发明的复合物可包括常规塑料添加剂，其用量足以使复合物获得所需的加工性质或使用性能。添加剂的量不应造成浪费或对复合物的加工或性能有害。热塑性配混领域的技术人员无需过多的实验，仅须参考一些文献，例如来自“塑料设计库”(Plastics DesignLibrary)(www.williamandrew.com)的“塑料添加剂数据库”(Plastics Additives Database)(2004)，就能够选择许多不同类型的添加剂加入本发明的复合物中。
可选的添加剂的非限制性例子包括:粘合促进剂；杀生物剂(抗菌剂、杀真菌剂和防霉剂)、抗雾化剂；抗静电剂；粘合剂、起泡剂和发泡剂；分散剂；填料和增量剂，如玻璃纤维；烟雾抑制剂；抗冲改性剂；引发剂；润滑剂；云母；颜料、着色剂和染料；增塑剂，如核/壳抗冲改性剂；加工助剂；脱模剂；硅烷、钛酸盐/酯(titanates)和锆酸盐/酯(zirconates)；滑爽剂和防粘连剂；稳定剂；硬脂酸盐/酯(stearates)；紫外光吸收剂；粘度调节剂；蜡；催化剂失活剂及其组合。
成分
表1显示了上述成分的可接受的、所需的和优选的数量，可选的成分无须全部存在。所述复合物可包括这些成分，主要包括这些成分，或只包括这些成分。所有数量都表示为整个复合物的重量百分数。
Figure BDA0000456597140000041
加工
本发明中复合物的制备并不复杂。本发明的复合物可以间歇或连续操作的方式制得。
以连续工艺进行的混合通常发生在温度升至足以熔化聚合物基质的单螺杆或双螺杆挤出机、连续混合器或其它装置中，在挤出机的头部或者挤出机的下游添加其他成分。挤出机速度范围可以为约50-约500转/分钟(rpm)，优选的为约100-约300rpm。通常，将从挤出机中输出的产物制成粒状，供以后挤出或模塑成聚合物制品。
以间歇工艺进行的混合操作通常在班伯里（Banbury）混合器中进行，该混合器能在足以使聚合物基体熔化的温度下操作，以便加入固体成分添加剂。混合速度为60-1000rpm。此外，将从混合器中输出的产物切碎为更小的尺寸，供以后挤出或模塑成聚合物制品。
随后的挤出或模塑技术是热塑性聚合物工程领域技术人员众所周知的。不需要过多的实验，仅仅需要参考诸如《挤出，权威加工指南和手册》（Extrusion,The Definitive Processing Guide and Handbook）；《模塑部件收缩和翘曲手册》（Handbook of Molded Part Shrinkage andWarpage）；《专业模塑技术》（Specialized Molding Techniques）；《旋转模塑技术》（Rotational Molding Technology）和《模具、工具和模头修补焊接手册》（Handbook of Mold,Tool and Die Repair Welding）（均由塑料设计库出版(www.williamandrew.com)）之类的参考文献，本领域的技术人员就能使用本发明的复合物制得具有任何想得到的形状和外观的制品。
本发明的实用性
本发明的复合物可非常有效的散热，使得它们适于挤出或模塑的制品，该制品设计成与加热的物体接触并从该物体传导热量远离该物体，或者也与加热的物体接触并将热量传导至需要热量的第二物体。不管哪种方式，本发明的复合物可从把热量从源头传输到远处，以分布到远离该物体的位置（住宅房中的暖气片）或耗散到远离该物体的位置（散热片）。
需要管理和耗散热量的工业之一是照明工业，特别是不用灯丝电灯泡而通过发光二极管（LED）提供的照明。LED的性能对温度的存在非常敏感，就像在发光的LED附近或临近处有电子一样。因此，优选的模塑制品是LED灯罩。
聚合物基质的物理性质决定了该复合物适用于特别的聚合物加工目的；使用氮化硼和沥青基碳纤维的组合赋予了本来没有或只有一点点热导率的聚合物基质导热性。
实施例提供了用于评估的数据。
实施例
表2显示了用于实施例1和2和比较例A和B的成分。
Figure BDA0000456597140000051
表3显示了在ZSK26毫米双螺杆挤出机中的混合条件。
Figure BDA0000456597140000062
Figure BDA0000456597140000071
对该挤出物进行切粒，以备后面的模塑用。
使用JSW模塑机，使用下面的设定，将本发明的复合物模塑成板材和拉伸测试样条。
Figure BDA0000456597140000072
表5显示每一实施例和比较例的5个样品所测物理性质的最高和最低值。
Figure BDA0000456597140000082
Figure BDA0000456597140000091
对于热导率测试，用dgf123石墨喷涂样品，并在耐驰（Netzsch）Nanoflash LFA447仪器中测试，符合ASTM D1461-01标准。用于收集数据的实验参数如下：温度：25℃，过滤器：100，脉冲：中等,以及预放大和放大：10x5002tt。在测量热容和散热系数以后，根据以下公式计算热导率：
K=ρ*Cp*α
其中：ρ是密度(g/cm3);Cp是热容(J/g C);以及α是散热系数(毫米2/秒)。
分别比较比较例A和B以及实施例1和2的热导率表明，当其它变量恒定时，面内热导率至少增加了25％，且实施例1和2的热导率在8W/mK的阀值之上。实施例2优于实施例1，实施例2的聚酰胺复合物的面内热导率大于12W/mK，与实施例1的配方相比，实施例2的配方交换了聚酰胺基质和氮化硼的数量。
与比较例A和B相比，实施例1和2的表面电阻率也是优异的。
表5所示的其它物理性质表明，实施例1和2是可接受的用于模塑或挤出制品，来管理热导率。
两个实施例结果的差异、每一实施例的5样品的最高值和最低值的差异是由样品制备、测试环境等造成的。
本发明不限于上述实施方式。以下是所附权利要求书。

Claims (12)

1.一种导热聚合物复合物，其包括：
(a)聚酰胺，
(b)沥青基碳纤维，
(c)氮化硼，以及
(d)非卤化有机次膦酸酯，
其中，使用ASTM E1461标准测量时，该复合物的面内热导率大于8W/mK。
2.如权利要求1所述的复合物，其特征在于，所述聚酰胺是聚酰胺6。
3.如权利要求1或权利要求2所述的复合物，其特征在于，所述氮化硼是六方氮化硼。
4.如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的复合物，其特征在于，所述复合物还包含选自下组的添加剂：粘合促进剂；杀生物剂；抗雾化剂；抗静电剂；粘合剂、起泡剂和发泡剂；分散剂；填料和增量剂；烟雾抑制剂；抗冲改性剂；引发剂；润滑剂；云母；颜料、着色剂和染料；增塑剂；加工助剂；脱模剂；硅烷、钛酸盐/酯和锆酸盐/酯；滑爽剂和抗粘连剂；稳定剂；硬脂酸盐/酯；紫外光吸收剂；粘度调节剂；蜡；催化剂失活剂，以及它们的组合。
5.如上述权利要求中任一项所述的复合物，其特征在于，所述复合物以重量百分数计包括以下数量的成分：
聚酰胺基质 20-45 氮化硼 15-45 沥青基碳纤维 10-30 非卤化阻燃剂 10-35 可选的其它添加剂 0-20
6.如上述权利要求中任一项所述的复合物，其特征在于，所述复合物以重量百分数计包括以下数量的成分：
聚酰胺基质 25-40 氮化硼 20-40 沥青基碳纤维 15-25 非卤化阻燃剂 15-25 可选的其它添加剂 0.2-15
7.如上述权利要求中任一项所述的复合物，其特征在于，所述复合物以重量百分数计包括以下数量的成分：
聚酰胺基质 27–37 氮化硼 25-35 沥青基碳纤维 18-22 非卤化阻燃剂 15-20 可选的其它添加剂 0.2-10
8.一种模塑制品，其由权利要求1-7中任一项所述的复合物制成。
9.一种挤出制品，其由权利要求1-7中任一项所述的复合物制成。
10.一种使用如权利要求1所述复合物的方法，其特征在于，将所述复合物挤出或模塑成制品，该制品设计成与加热的物体接触并从该物体传导热量远离该物体，或者也与加热的物体接触并将热量传导至需要热量的第二物体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述复合物的聚酰胺是聚酰胺6。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述复合物的氮化硼是六方氮化硼。
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