CN103897241A - 导热塑料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导热塑料及其制造方法。具体地，一种导热塑料，所述导热塑料包括质量百分比为20～80％的塑料基体、质量百分比为0～20％的增韧填料、质量百分比为5～60％的导热填料、质量百分比为0.5～5％的偶联剂、质量百分比为0.5～5％的抗氧化剂、质量百分比为0.5～5％的流动改性剂。

Description

导热塑料及其制造方法
技术领域
本发明涉及通用塑料技术领域，尤其涉及导热塑料制备领域。
背景技术
目前，市场上传统防腐设备中的导热材料存在导热性能与防腐性能互相矛盾的问题，如金属、陶瓷等材料很难满足酸碱性防腐需求，陶瓷制管道、反应釜等化工设备极易被碱性腐蚀。钢铁虽然导热性优异，但是防腐蚀性能差，我国每年由于钢铁腐蚀造成的直接经济损失至少为200亿元。高分子材料具有轻质，耐化学腐蚀，易加工成型，电绝缘性能优异，因此导热性塑料的研发势在必行。
为了获得高热传导率的塑料，现有的专利技术着重于对导热填料的选择以及表面改性等方面。通常的方法为添加高热传导率的填料，如以高长径比的碳纤维和氮化硼配合以高密度的金属、金属氧化物作为填料，其制得的产品的导热系数为20W/m·K(ZL99815810.0)；或以金属氧化物、碳化硅等绝缘填料作为填料，其制得的产品的导热系数在2～4W/m·K之间(ZL200510101700.0)；或者以各种陶瓷纤维或石墨粉或炭黑或碳纤维或金属粉组合作为填料(ZL02112481.7)。
在当前导热复合材料的研究中，填料与塑料基体的亲和性差，即与基体的结合力差，且分散不匀，热导率提高的同时机械强度下降制约了导热复合材料在实际中的应用，增韧填料经超细化和表面活化后，可以很大程度上克服其原有缺点。
有鉴于此，确有必要提供一种具有高导热性能和良好力学性能的导热塑料。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
本发明的目的之一是提供一种同时具备良好的导热性能和力学性能的导热塑料。
本发明的还一目的是提供一种制造如上所述的导热塑料的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种导热塑料，所述导热塑料包括塑料基体、导热填料、增韧填料、偶联剂、流动改性剂、抗氧化剂以及溶剂，且它们的质量百分比含量分别为：
塑料基体    20～80％，
导热填料    5～60％，
增韧填料    0～20％，
偶联剂      0.5～5％，
流动改性剂  0.5～5％，
抗氧化剂    0.5～5％，和
溶剂        0～80％。
优选地，所述塑料基体为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙6、尼龙66、聚丙烯中的一种或它们的任意组合。
优选地，所述导热填料为石墨、硅粉、二氧化硅粉、铜粉、铝粉、铁粉、氧化铝粉、氧化铜粉、氧化铁中的一种或它们的任意组合，且导热填料的粒径为0.5～50μm。
优选地，所述增韧填料为玻璃纤维、贝壳粉、乙烯和辛烯的共聚物中的一种或它们的任意组合，增韧填料的粒径为0.5～50μm。
优选地，所述溶剂为液体石蜡、异丙醇、丙酮中的一种或它们的任意组合。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造所述的导热塑料的制备方法，包括步骤：
(1)将溶剂和偶联剂按照体积量比10∶1混合成溶液，按照导热填料和所述溶液的体积比为70％～80％∶20％～30％，在温度为80℃～110℃、搅拌速度为100-500r/min的条件下搅拌10～40分钟，然后抽滤处理过的填料；
(2)将塑料基体与处理过的填料、抗氧化剂、流动改性剂混合，以得到混合物；
(3)将混合物转移到挤出机，在温度为190～220℃挤出制造颗粒，
其中，所述导热塑料包括质量百分比为20～80％的塑料基体、质量百分比为0～20％的增韧填料、质量百分比为5～60％的导热填料、质量百分比为0.5～5％的抗氧化剂、质量百分比为0.5～5％的流动改性剂。
优选地，将所得的颗粒注射成型，所得试样的机械强度在10～40MPa的范围内。
优选地，将所得的颗粒模压成型，所得试样的导热系数在0.2～2W/(m·k)的范围内。
与现有技术不同，一般选用单一导热填料提高塑料基体的导热系数，本发明采用两种或多种导热填料协同作用提高塑料的导热性能。通常添加导热填料后会造成机械强度明显下降，在本发明中通过偶联剂处理填料与填充超细增韧填料来解决这一技术问题。
由于塑料分子链无规则缠结并具有很高的相对分子质量，故难以完全结晶。由于相对分子质量的多分散性，分子大小不完全相等，也难以形成完整晶格。加之分子链的振动对声子有散射作用，所以塑料的导热系数很小。
目前国外高导热绝缘高分子材料仍是掺混型的，就是将某种导热的无机填料掺混到具有特定要求的树脂材料中。用无机导热填料代替部分高分子，其结果将会使整个绝缘***的导热性能全面提高。
导热复合材料的机械强度不仅取决于塑料基体和导热填料的本身，而且取决于颗粒表面湿润的程度。这是因为填料表面的润湿程度影响填料与基体的粘结程度、基体与填料界面的热障、填料的分散性、填料的加入量等，从而影响体系的机械强度。
本发明的有益效果为：所述导热塑料包括质量百分比为20～80％的塑料基体、质量百分比为0～20％的增韧填料、质量百分比为5～60％的导热填料、质量百分比为0.5～5％的偶联剂、质量百分比为0.5～5％的抗氧化剂、质量百分比为0.5～5％的流动改性剂。本发明所获得的导热塑料不但具有高的导热性能和良好的流动性，而且机械强度高，抗弯曲抗折扭性能好。所选的增韧填料具有成本低、环保、效果明显等优点。
附图说明
本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明的实施例的导热塑料的制备流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图1，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
本发明所述的导热塑料，由下列组份(按重量份计)制备而成：所述导热塑料包括质量百分比为20～80％的塑料基体、质量百分比为0～20％的增韧填料、质量百分比为5～60％的导热填料、质量百分比为0.5～5％的偶联剂、质量百分比为0～80％的溶剂、质量百分比为0.5～5％的抗氧化剂、质量百分比为0.5～5％的流动改性剂。
本发明所采用的主要原料和试剂参见表1。
表1主要原料和试剂
Figure BSA00000839631500041
参见图1，本发明提供了一种具有高机械强度和优异导热性能的导热塑料以及其制造方法。本发明所述的导热塑料的制造步骤如下：
(1)将溶剂异丙醇和偶联剂按照体积量比10∶1混合成溶液，按照填料和所述溶液的体积比为70％～80％∶20％～30％，在温度为80℃～110℃、搅拌速度为100-500r/min的条件下搅拌10～40分钟，然后抽滤处理过的填料；
(2)将塑料基体与处理过的填料、抗氧化剂、流动改性剂混合，以得到混合物；
(3)将混合物转移到挤出机，在温度为190～220℃挤出制造颗粒；
(4)将所得颗粒在200～220℃的注射机中注射成型，在万能试验机上测定试样的机械强度；
(5)将所得颗粒在160～200℃的平板硫化机上模压成型，用导热系数测试仪测定试样的导热系数。
具体地，步骤(3)中，该挤出机具体条件为：该挤出机的料筒被分成八段且其具体温度为如表2所示。另外，表2还示出了机头温度、螺杆转速、牵引速度、喂料速度等参数。
表2料筒各段的温度和挤出处理的工艺参数
一段温度 190℃
二段温度 195℃
三段温度 195℃
四段温度 200℃
五段温度 200℃
六段温度 205℃
七段温度 205℃
八段温度 200℃
机头温度 190℃
螺杆转速 7.15×12r/min
牵引速度 300r/min
喂料速度 4HZ
具体地，在本发明的实施例中制造导热聚乙烯塑料时，挤出设备可以是单螺杆挤出机、双螺杆挤出机。如本领域技术人员所了解的，挤出设备也可以采用其它类型的挤出设备。
具体地，步骤(4)中，该注射机具体条件为：该注射机的料筒被分成四段且其具体温度为如表3所示。另外，表3还示出了注射机的压力与流量等参数。
表3注射机的料筒压力及各部分的参数
料筒 第一段 第二段 第三段 第四段
压力 45MP 45MP 35MP 60MP
流量 40 40 35 60
温度 210℃ 215℃ 220℃ 210℃
具体地，在本发明的实施例中制造导热聚乙烯塑料时，注射机可以是立式注射机、卧式注射机、全电式注射机。如本领域技术人员所了解的，注射机也可以采用其它类型的注塑设备。
具体地，在本发明的实施例中制造导热聚乙烯塑料时，平板硫化机可以是柱式平板硫化机、卧式平板硫化机、侧板式平板硫化机。如本领域技术人员所了解的，平板硫化机也可以采用其它类型的模压设备。
机械强度测试
抗拉强度测试：在室温下放置24小时后，在万能试验机上进行测试，测试标准GB/T1040-92，测试温度22℃，拉伸试验中拉伸速度为50mm/min，选取7～8个试样进行测试，并取其平均值。
抗折强度测试：在室温下放置24小时后，在万能试验机上进行测试，测试标准：GB9341-2000，测试温度22℃，弯曲速度为1mm/min，试样长度120mm，支点间距：48mm，每组选取7～8个试样进行测试，并取其平均值。
导热试样的加工与测试
选用相同配方原料，进行破碎加工，按照不同配比，搅拌混合均匀，加工成100mm×100mm，厚10mm大小的材料，压片程序为先将预混料冷压，然后在170℃的条件下压片20min，其间排气5次，卸压5次。热压结束后，再将模具移至另一平板硫化机上冷压15min，待模具温度接近室温时开模取样。将压片分别裁成标准试样，放在烘干机内烘干，以备性能测试。在每组配方中取4个试样叠加起来，打开导热系数测试仪的加热开关，观察加热表面的温度变化过程。当两表面的温差不变时，即温差曲线走平时，表明不稳态导热达到准稳态时的温度场的特征，可点击“结束”按钮，即可得到每组配方的导热系数。在对下述的实施例进行测试时，分别依照上述的方法进行。
以下通过实施例来具体描述本发明的导热塑料以及其制造方法。
实施例1
参见附图1，本发明的实施例1的具体流程为：
前期准备步骤：把高密度聚乙烯(HDPE)和石墨在80℃条件下真空干燥12h，氧化铜和贝壳粉放在110℃条件下真空干燥4h。
制备步骤：将一定量的钛酸酯偶联剂ZJ-101以1∶10的质量比溶于异丙醇中制成溶液，按照填料和溶液的体积量比为70％～80％∶20％～30％，其中贝壳粉在温度为100℃～110℃、转速250r/min的条件下高速搅拌20分钟，氧化铜与石墨在温度为80℃～90℃、转速250r/min的条件下电磁搅拌40分钟，然后抽滤得到的填料在真空烘箱中干燥；将质量百分比含量分别为70％的HDPE、8％的石墨、17％的氧化铜、3.5％的贝壳粉，0.6％的流动改性剂AM-80，0.5％的受阻酚抗氧剂264在混合机中高速混合，然后将混合物转移到双螺杆挤出机中，在温度为190～220℃挤出造粒；最后将得到的塑料颗粒通过平板硫化机和注射机制得导热塑料制件，测得其导热系数为0.956W/(m·k)、抗折强度为20.99MPa、抗拉强度为30.75MPa。
该挤出机具体条件为：该挤出机被分成八段且其具体温度为如上述的表2所示。另外表2还示出了机头温度、螺杆转速、牵引速度、喂料速度等参数。
该注射机具体条件为：该注射机被分成四段且其具体温度为如上述的表3所示。表3还示出了注射机的压力与流量等参数。所得试样根据上述机械强度测试方法进行测试。
该试样在平板硫化机成型条件为：根据上述导热试样的加工与测试中的方法进行试样的加工成型。所得试样根据上述导热系数测试方法进行测试。
实施例2
参见附图1，本发明的实施例2的具体流程为：
把HDPE和石墨在80℃条件下真空干燥12h，氧化铜和贝壳粉放在110℃条件下真空干燥4h；将一定量的钛酸酯偶联剂ZJ-101以1∶10的质量比溶于异丙醇中制成溶液，按照填料和溶液的体积量比为70％～80％∶20％～30％，其中贝壳粉在温度为100℃～110℃、转速250r/min的条件下高速搅拌20分钟，氧化铜与石墨在温度为80℃～90℃、转速250r/min的条件下电磁搅拌40分钟，然后抽滤得到的填料在真空烘箱中干燥；将质量百分比含量分别为70％的HDPE、12％的石墨、17％的氧化铜、4％的贝壳粉，0.6％的流动改性剂AM-80，0.5％的受阻酚抗氧剂264在混合机中高速混合，然后将混合物转移到双螺杆挤出机中，在温度为190～220℃挤出造粒；最后将得到的塑料颗粒通过平板硫化机和注射机制得导热塑料制件，测得其导热系数为1.109W/(m·k)、抗折强度为19.97MPa、抗拉强度为31.74MPa。
该挤出机具体条件为：该挤出机被分成八段且其具体温度为如上述的表2所示。另外表2还示出了机头温度、螺杆转速、牵引速度、喂料速度等参数。
该注射机具体条件为：该注射机被分成四段且其具体温度为如上述的表3所示。表3还示出了注射机的压力与流量等参数。所得试样根据上述机械强度测试方法进行测试。
该试样在平板硫化机成型条件为：根据上述导热试样的加工与测试中的方法进行试样的加工成型。所得试样根据上述导热系数测试方法进行测试。
实施例3
参见附图1，本发明的实施例3的具体流程为：
把HDPE和石墨在80℃条件下真空干燥12h，氧化铜和贝壳粉放在110℃条件下真空干燥4h；将一定量的钛酸酯偶联剂ZJ-101以1∶10的质量比溶于异丙醇中制成溶液，按照填料和溶液的体积量比为70％～80％∶20％～30％，其中贝壳粉在温度为100℃～110℃、转速250r/min的条件下高速搅拌20分钟，氧化铜与石墨在温度为80℃～90℃、转速250r/min的条件下电磁搅拌40分钟，然后抽滤得到的填料在真空烘箱中干燥；将质量百分比含量分别为70％的HDPE、12％的石墨、15％的氧化铜、3％的贝壳粉，0.6％的流动改性剂AM-80，0.5％的受阻酚抗氧剂264在混合机中高速混合，然后将混合物转移到双螺杆挤出机中，在温度为190～220℃挤出造粒；最后将得到的塑料颗粒通过平板硫化机和注射机制得导热塑料制件，测得其导热系数为1.012W/(m·k)、抗折强度为19.77MPa、抗拉强度为32.58MPa。
该挤出机具体条件为：该挤出机被分成八段且其具体温度为如上述的表2所示。另外表2还示出了机头温度、螺杆转速、牵引速度、喂料速度等参数。
该注射机具体条件为：该注射机被分成四段且其具体温度为如上述的表3所示。表3还示出了注射机的压力与流量等参数。所得试样根据上述机械强度测试方法进行测试。
该试样在平板硫化机成型条件为：根据上述导热试样的加工与测试中的方法进行试样的加工成型。所得试样根据上述导热系数测试方法进行测试。
在本发明中，所得试样的机械强度在10～40MPa的范围内。
在本发明中，将所得的颗粒模压成型，所得试样的导热系数在0.2～2W/(m·k)的范围内。
本发明的聚合物基导热复合材料用粉末混合方法制备，即将聚合物粉末与导热填料粉末按照一定的比例在高速混合机上混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，经注射机注射与平板硫化机成型各种性能测试所需试样。
通过实验证明，采用上述实施例制备的高机械强度导热塑料，导热系数是普通塑料导热系数的2～8倍。石墨比氧化铜利于导热系数的提高，但是对塑料的力学性能影响也较大。另外，贝壳粉对导热塑料的力学性能提高明显，并且在含量为3.5％左右时，填充量为最佳值。
需要注意的是，在制备导热塑料时，其各组成成分仅选择了其中的一种或更多种作为示例，在本文其它地方提及的可替代方法也可以实现本发明的目的。为了简便起见，在此不一一举例说明。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (8)

1.一种导热塑料，其特征在于，所述导热塑料包括塑料基体、导热填料、增韧填料、偶联剂、流动改性剂、抗氧化剂以及溶剂，且它们的质量百分比含量分别为：
塑料基体    20～80％，
导热填料    5～60％，
增韧填料    0～20％，
偶联剂      0.5～5％，
流动改性剂  0.5～5％，
抗氧化剂    0.5～5％，和
溶剂        0～80％。
2.根据权利要求1所述的导热塑料，其特征在于，所述塑料基体为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙6、尼龙66、聚丙烯中的一种或它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的导热塑料，其特征在于，所述导热填料为石墨、硅粉、二氧化硅粉、铜粉、铝粉、铁粉、氧化铝粉、氧化铜粉、氧化铁中的一种或它们的任意组合，且导热填料的粒径为0.5～50μm。
4.根据权利要求1所述的导热塑料，其特征在于，所述增韧填料为玻璃纤维、贝壳粉、乙烯和辛烯的共聚物中的一种或它们的任意组合，增韧填料的粒径为0.5～50μm。
5.根据权利要求1所述的导热塑料，其特征在于，所述溶剂为液体石蜡、异丙醇、丙酮中的一种或它们的任意组合。
6.一种制造根据如权利要求1所述的导热塑料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将溶剂和偶联剂按照体积量比10∶1混合成溶液，按照导热填料和所述溶液的体积比为70％～80％∶20％～30％，在温度为80℃～110℃、搅拌速度为100-500r/min的条件下搅拌10～40分钟，然后抽滤处理过的填料；
(2)将塑料基体与处理过的填料、抗氧化剂、流动改性剂混合，以得到混合物；
(3)将混合物转移到挤出机，在温度为190～220℃挤出制造颗粒，
其中，所述导热塑料包括质量百分比为20～80％的塑料基体、质量百分比为0～20％的增韧填料、质量百分比为5～60％的导热填料、质量百分比为0.5～5％的抗氧化剂、质量百分比为0.5～5％的流动改性剂。
7.根据权利要求6所述的颗粒，其特征在于：将所得的颗粒注射成型，所得试样的机械强度在10～40MPa的范围内。
8.根据权利要求6所述的颗粒，其特征在于：将所得的颗粒模压成型，所得试样的导热系数在0.2～2W/(m·k)的范围内。
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