CN105733065B

CN105733065B - 各向异性导热聚合物复合材料及其制备方法

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Publication number: CN105733065B
Application number: CN201410733881.8A
Authority: CN
Inventors: 韩志东; 陈金; 王永亮
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-06
Filing date: 2014-12-06
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2034-12-06
Also published as: CN105733065A

Abstract

各向异性导热聚合物复合材料及其制备方法。聚合物基复合材料的传导性能不仅与填料本身的性质包括物质结构、导热性、导电性、光学性质、尺寸，外观形貌，几何形状等有关，而且与填料在聚合物基体中的分散状态及结构有序度均有密切的关系。本发明的组成包括：聚合物和导热填料，所述的聚合物作为基体材料，所述的聚合物基体材料质量分数为50~99.9%，所述的导热填料是具有磁响应性高导热无机粒子，所述的具有磁响应性高导热无机粒子添加量为0.1~50wt.%。本发明用于导热高分子领域。

Description

各向异性导热聚合物复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种各向异性导热聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术：

现代科技的发展对材料的性能要求越来越高，除了良好的机械性能，材料的功能化已经成为人们关注的焦点。采用物理或化学的方法，向聚合物中添加具有功能特性的无机填料，可以将高分子的轻便、易加工、抗腐蚀等优点与无机物的功能性有效结合在一起。具有良好导热性的微粒（金属类、碳类、陶瓷类等），作为导热填料被广泛使用到导热复合材料的制备中，满足电机电气、电子封装、航空航天、军事等领域对导热材料的需求。

聚合物基复合材料的传导性能不仅与填料本身的性质包括物质结构、导热性、导电性、光学性质、尺寸，外观形貌，几何形状等有关，而且与填料在聚合物基体中的分散状态及结构有序度均有密切的关系。在聚合物基体及填料已经确定的条件下，对填料在基体中的有序程度进行调节为复合材料的综合性能设计提供了更为广阔的空间。具有有序结构的材料在有机电子器件、分子过滤、组织工程等方面具有广泛的应用价值，制备结构有序材料已经成为当前材料研究领域的一个热点。填料在聚合物基体中有序化排列可通过外加物理场作为动力源而实现，外加物理场能够使其在聚合物基体中沿外场方向发生取向或规整排列，外加物理场主要有电场、磁场、机械力场等。

碳类无机填料尤其是石墨烯与纳米石墨微片以其良好的导热性能受到了很多研究者的关注，Y Shibayama研究了聚合物基体中的取向结构对复合材料传导性能产生显著影响（Shibayama Y, Sato H, Enoki T, et al. Disordered magnetism at the metal-insulator threshold in nano-graphite-based carbon materials[J]. Physicalreview letters, 2000, 84(8): 1744.）。近年来，很多科学工作者对石墨的磁现象做了大量理论研究，发现磁性的表现主要来源于结构的缺陷、磁性杂质以及逡巡的电子态，其中石墨片层中存在的结构缺陷是导致纳米石墨具有磁响应性的最主要原因。然而，关于外磁场对碳类材料的取向行为及其对聚合物复合材料导热性能影响的研究和专利尚未见报道和申请。

发明内容：

本发明的目的是提供一种各向异性导热聚合物复合材料及其制备方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种各向异性导热聚合物复合材料，其组成包括：聚合物和导热填料，所述的聚合物作为基体材料，所述的聚合物基体材料质量分数为50~99.9%，所述的导热填料是具有磁响应性高导热无机粒子，所述的具有磁响应性高导热无机粒子添加量为0.1~50wt.%。

所述的各向异性导热聚合物复合材料，所述的聚合物基体材料为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯或其组合。

所述的各向异性导热聚合物复合材料，所述的高导热无机粒子为石墨烯、石墨片、纳米石墨微片、碳纤维、碳纳米管或他们与石墨烯、石墨片、纳米石墨微片、碳纳米管、碳纤维、氧化铝、氮化硼、、炭黑、氮化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、碳化硅、铜粉、铝粉、镁粉中的至少一种的组合。

一种所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，该方法步骤如下：

采用熔融共混法制备复合材料，将热塑性聚合物基体、导热填料在所选聚合物基体按一定比例在熔点以上分解温度以下的温度进行机械熔融共混复合材料，将混合后的复合材料在平板硫化机下压制成型得到复合材料。

磁场诱导导热粒子取向排列，将复合材料和模具放入磁场发生器中，调整磁头至压紧试样和模具温度设定为所选聚合物基体的熔点以上分解温度以下，在强磁场强度下保持一定时间，清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，并取出试样，得到各向异性结构的导热聚合物复合材料。

所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，所述的熔融共混法制备复合材料所涉及的设备有流变仪、挤出机、炼塑机、平板硫化机中的一种或它们的组合。

所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，所述的强磁场强度为1T以上。

一种所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，首先制备复合材料：将4g石墨烯薄片与40g纳米氧化铝粉（Al₂O₃，20-30nm）放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中进一步混合，温度125℃；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa条件下压制成型，得到复合材料试样；将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料；采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中纳米石墨微片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数；经磁场处理后，当GNP填充量为4.0wt.%时，复合材料热扩散系数提高了13.4%。

所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，所述的首先制备复合材料是将0.4g石墨烯薄片与40g纳米氧化铝粉（Al₂O₃，20-30nm）放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中进一步混合（125℃）；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa条件下压制成型，得到复合材料试样；将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料；采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中纳米石墨微片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数；经磁场处理后，当GNP填充量为0.4wt.%时，复合材料热扩散系数提高了7%。

本发明的有益效果：

本发明以聚合物为基体，高导热无机粒子为导热填料组成的具有各向异性结构的聚合物复合材料，在复合材料熔融和热压成型过程中持续施加磁场稳恒强磁场，使导热填料在强磁场诱导下沿同一方向择优取向排列，形成了聚合物基复合材料的各向异性结构，在同样导热填料的添加量下，有效提高复合材料在取向排列方向的导热性能。聚合物复合材料力学性能良好。这种高导热聚合物复合材料在导热高分子领域及现实应用具有广阔的前景。

附图说明：

附图1是复合材料断面扫描电镜图。

附图2是复合材料磁场处理后断面扫描电镜图。

具体实施方式：

实施例1：

实施例2：

根据实施例1所述的各向异性导热聚合物复合材料，所述的聚合物基体材料为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯或他们的组合。

实施例3：

根据实施例1所述的各向异性导热聚合物复合材料，所述的高导热无机粒子为石墨烯、石墨片、纳米石墨微片、碳纤维、碳纳米管或他们与石墨烯、石墨片、纳米石墨微片、碳纳米管、碳纤维、氧化铝、氮化硼、、炭黑、氮化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、碳化硅、铜粉、铝粉、镁粉中的至少一种的组合。

实施例4：

一种实施例1-3之一所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，该方法步骤如下：

实施例5：

根据实施例4所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，所述的熔融共混法制备复合材料所涉及的设备有流变仪、挤出机、炼塑机、平板硫化机中的一种或它们的组合。

实施例6：

根据实施例4所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，所述的强磁场强度为1T以上。

实施例7：

所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，将4g石墨烯薄片与40g纳米氧化铝粉（Al₂O₃，20-30nm）放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中进一步混合（125℃）；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa条件下压制成型，得到复合材料试样。将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料。采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中纳米石墨微片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数。经磁场处理后，当GNP填充量为4.0wt.%时，复合材料热扩散系数提高了13.4%。

实施例8：

参照实施例7所述的各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，将0.4g石墨烯薄片与40g纳米氧化铝粉（Al₂O₃，20-30nm）放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中进一步混合（125℃）；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa条件下压制成型，得到复合材料试样。将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料。采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中纳米石墨微片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数。经磁场处理后，当GNP填充量为0.4wt.%时，复合材料热扩散系数提高了7%。

Claims

1.一种各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，其特征是：该方法具体是按以下步骤完成的：首先制备复合材料，将4g石墨烯薄片与40g20-30nm的纳米氧化铝粉放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45 转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中进一步混合，温度125℃；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa条件下压制成型，得到复合材料试样；将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料；采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中石墨烯薄片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数；经磁场处理后，当石墨烯薄片填充量为4.0wt.% 时，复合材料热扩散系数提高了13.4%。

2.一种各向异性导热聚合物复合材料的制备方法，其特征是：该方法具体是按以下步骤完成的：首先制备复合材料，将0.4g石墨烯薄片与40g20-30nm的纳米氧化铝粉放入行星式球磨机中球磨2h，得到复合粉体，将复合粉体与60gLLDPE在转矩流变仪中，温度135℃，转速45 转/s，熔融共混至转矩恒定，得到复合材料；将复合材料在开放式炼塑机中于125℃进一步混合；将混合后的复合材料在平板硫化机中150℃、10MPa 条件下压制成型，得到复合材料试样；将复合材料试样和环氧树脂模具一同放入稳恒磁场发生器的磁头间，磁头温度设定为150℃；调整磁头至压紧试样和模具；调整磁极线圈电流使磁感应强度达到1.5T，保持30min；清除磁头温度，待试样温度达到室温后，降低磁感应强度至零，得到磁场处理后复合材料；采用Sirion200型扫面电子显微镜研究确定了复合材料中石墨烯薄片的取向行为，通过TC-7000H型激光热常数测试仪测试样品的热扩散系数；经磁场处理后，当石墨烯薄片填充量为0.4wt.% 时，复合材料热扩散系数提高了7%。